矮塔斜拉橋0號(hào)塊結(jié)構(gòu)細(xì)部分析研究

劉小軍

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

該矮塔斜拉橋在整體力學(xué)性能分析中采用空間梁?jiǎn)卧丸旒軉卧獊?lái)模擬，通過(guò)上橫梁將塔梁連為一體，利用整體模型的分析結(jié)果來(lái)進(jìn)行塔梁配筋設(shè)計(jì)，但是0號(hào)塊結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，不僅頂板與Y型橋塔相連接，同時(shí)還與上橫梁相固結(jié)，而0號(hào)塊、橋塔以及上橫梁的內(nèi)部又同時(shí)采用了挖空形式，更是加劇了其整體空間復(fù)雜性，故梁?jiǎn)卧治鼋Y(jié)果不能用于0號(hào)塊的配筋設(shè)計(jì)?？紤]到空間梁?jiǎn)卧Ｐ蜔o(wú)法得到0號(hào)塊真實(shí)空間應(yīng)力分布的因素，因此有必要對(duì)該矮塔斜拉橋0號(hào)塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)部分析，以便更加真實(shí)地反應(yīng)其空間應(yīng)力分布狀態(tài)，同時(shí)也可以指導(dǎo)該部位的構(gòu)造擬定及配筋設(shè)計(jì)工作。

1 工程概況

1.1 主橋概況

主橋采用（87+160+87）m雙塔斜向雙索面三跨預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋。主梁為單箱雙室結(jié)構(gòu)，寬28.0 m，橋塔處梁高 5.0 m，跨中梁高 3.5 m，1～7號(hào)梁段為梁高變化段，其余為等高段。橋塔為Y型塔，塔高24.8 m，每個(gè)橋塔共設(shè)置8對(duì)斜拉索，采用分絲管索鞍形式，每根斜拉索貫穿主塔并錨固在主梁上。主橋立面布置圖如圖1所示。

圖1 主橋立面布置圖（單位：m）

1.2 0號(hào)塊結(jié)構(gòu)構(gòu)造

0號(hào)塊結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，不僅與橋塔相連接，而且與上橫梁也連為一體，具體結(jié)構(gòu)構(gòu)造尺寸如圖2、圖3所示。

圖2 0號(hào)塊立面圖（單位：cm）

圖3 0號(hào)塊橫斷面圖（單位：cm）

2 分析模型的建立

將0號(hào)塊、上中橫梁及部分橋塔作為一個(gè)整體來(lái)進(jìn)行空間應(yīng)力分析，其中0號(hào)塊和上橫梁采用C55混凝土，其余部位為C50混凝土，縱、橫、豎向預(yù)應(yīng)力筋采用Strand1860鋼絞線。

全橋采用有限元軟件Midas/Civil建立桿系整體分析模型，其中承臺(tái)、墩塔、主梁采用空間梁?jiǎn)卧M，拉索采用空間桁架單元模擬[1]，整體分析模型見(jiàn)圖4。

圖4 全橋整體分析模型

利用空間有限元分析軟件Midas/FEA進(jìn)行0號(hào)塊空間實(shí)體模型的建立，首先對(duì)實(shí)體進(jìn)行線網(wǎng)格尺寸控制，單元長(zhǎng)度為0.3 m，然后進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分，共劃分為482020個(gè)單元，103435個(gè)節(jié)點(diǎn)。在0號(hào)塊實(shí)體單元中設(shè)置縱、橫、豎向共83束預(yù)應(yīng)力鋼筋，其中頂板縱向3束，頂板橫向20束，上橫梁肋板橫向12束，腹板豎向48束，鋼束采用鋼筋梁?jiǎn)卧M并分別進(jìn)行了網(wǎng)格劃分[2]。0號(hào)塊及上橫梁混凝土自重26 kN/m3，橋面二期恒載為5.518 kN/m2，預(yù)應(yīng)力張拉應(yīng)力0.72fpk=1339.2 MPa，實(shí)體模型邊界條件為兩個(gè)墩底固結(jié)。0號(hào)塊實(shí)體模型及鋼束模型分別見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 0號(hào)塊實(shí)體模型

圖6 0號(hào)塊鋼束模型

3 分析工況及內(nèi)力提取

由于0號(hào)塊在各個(gè)施工階段以及成橋狀態(tài)下，其應(yīng)力分布狀態(tài)一直處于復(fù)雜的變化過(guò)程中，根據(jù)以往文獻(xiàn)[3]分析經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，0號(hào)塊的空間應(yīng)力分析階段一般為最大雙懸臂施工階段和成橋使用階段。和以往0號(hào)塊分析不同的是，除了提取0號(hào)塊前后截面內(nèi)力，還需提取左右上塔柱截面內(nèi)力。0號(hào)塊、上塔柱共4個(gè)截面內(nèi)力提取值參見(jiàn)表1。

表1 0號(hào)塊及上塔柱截面內(nèi)力值

4 0號(hào)塊空間應(yīng)力分析

通過(guò)建立截面質(zhì)心節(jié)點(diǎn)，在質(zhì)心節(jié)點(diǎn)與截面所有節(jié)點(diǎn)之間建立剛性連接，將整體模型提取出來(lái)的內(nèi)力施加在質(zhì)心節(jié)點(diǎn)上，力和力矩則通過(guò)剛性連接傳遞到整個(gè)截面上，施加過(guò)程中要注意Midas/Civil整體模型單元坐標(biāo)系與Midas/FEA整體坐標(biāo)系存在夾角，需把內(nèi)力方向從單元坐標(biāo)系換成整體坐標(biāo)系[4]。應(yīng)力分析云圖中，均以拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。

4.1 工況一 最大雙懸臂施工階段

0號(hào)塊橫橋向應(yīng)力、豎向應(yīng)力及主拉應(yīng)力云圖見(jiàn)圖7～圖9。從圖7中可知，橫橋向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在塔梁相接處附近0號(hào)塊頂板區(qū)域，達(dá)到3.055 MPa，此外，上橫梁底板處于橫向受拉狀態(tài)，最大值為2.280 MPa，分布在上橫梁1/4跨底部區(qū)域；從圖8中可知，豎向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在0號(hào)塊橫隔板過(guò)人孔下部范圍，達(dá)到2.139 MPa，整個(gè)橫隔板均處在豎向拉應(yīng)力區(qū)，且靠近腔室一側(cè)的應(yīng)力值較大，同時(shí)上橫梁底板與塔交接處出現(xiàn)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，達(dá)到-26.735 MPa；從圖9中可知，整個(gè)模型主拉應(yīng)力最大值為4.25 MPa，位于橋塔內(nèi)上橫梁肋板橫向鋼束錨固端，此處未考慮錨墊板影響，其值失真，塔梁相接處0號(hào)塊頂板主拉應(yīng)力最大值為3.15 MPa，上橫梁底板主拉應(yīng)力最大值為3.0 MPa。

圖7 0號(hào)塊橫橋向應(yīng)力（工況一）

圖8 0號(hào)塊豎向應(yīng)力（工況一）

圖90 號(hào)塊主拉應(yīng)力（工況一）

4.2 工況二 成橋階段墩頂最大負(fù)彎矩

0號(hào)塊橫橋向應(yīng)力、豎向應(yīng)力及主拉應(yīng)力云圖見(jiàn)圖10～圖12。從圖10中可知，橫橋向最大拉應(yīng)力為3.541 MPa，出現(xiàn)位置同工況一，上橫梁1/4跨底板區(qū)域最大拉應(yīng)力為2.950 MPa，較工況一有所增大。從圖11中可知，豎向最大拉應(yīng)力為3.464 MPa，出現(xiàn)在上橫梁橫隔板上部靠近腔室一側(cè)，同工況一相比，最大值出現(xiàn)位置發(fā)生轉(zhuǎn)移，此外，上橫梁底板與塔交接處最大壓應(yīng)力為-29.695 MPa。從圖12中可知，最大主拉應(yīng)力4.268 MPa，位置同工況一。此外，0號(hào)塊頂板、上橫梁底板以及橫隔板的局部區(qū)域主拉應(yīng)力值較大，個(gè)別位置超過(guò)3.6 MPa。

圖10 0號(hào)塊橫橋向應(yīng)力（工況二）

圖11 0號(hào)塊豎向應(yīng)力（工況二）

圖12 0號(hào)塊主拉應(yīng)力（工況二）

4.3 工況三 成橋階段0號(hào)塊最大剪力

0號(hào)塊橫橋向應(yīng)力、豎向應(yīng)力及主拉應(yīng)力云圖分布形態(tài)同工況二，僅應(yīng)力值略有不同，在此不一一列出。橫橋向最大拉應(yīng)力為3.544 MPa，出現(xiàn)位置同工況二，上橫梁1/4跨底板區(qū)域最大拉應(yīng)力為2.96 MPa；豎向最大拉應(yīng)力為3.056 MPa，出現(xiàn)位置同工況二，上橫梁底板與塔交接處最大壓應(yīng)力為-30.711 MPa；最大主拉應(yīng)力4.323 MPa，位置同工況二，此外，0號(hào)塊頂板、上橫梁底板以及橫隔板的局部區(qū)域主拉應(yīng)力值較大，個(gè)別部位超過(guò)3.0 MPa，但相比工況二整體略小。

5 結(jié)語(yǔ)

a）通過(guò)對(duì)矮塔斜拉橋0號(hào)塊進(jìn)行三維空間應(yīng)力分析，可以明確結(jié)構(gòu)拉、壓應(yīng)力分布狀態(tài)，進(jìn)而把握裂縫可能出現(xiàn)位置以及混凝土應(yīng)力過(guò)大的位置，為0號(hào)塊的結(jié)構(gòu)構(gòu)造及配筋設(shè)計(jì)的合理性提供理論依據(jù)。

b）0號(hào)塊橫橋向最大拉應(yīng)力位于塔梁相接處附近頂板區(qū)域，主要是由張拉上橫梁肋板橫向束所引起的，可以通過(guò)先張拉肋板橫向束后澆筑頂板與塔柱連接部的施工方法來(lái)解決這一問(wèn)題；此外，0號(hào)塊橫隔板及其過(guò)人孔周邊位置豎向拉應(yīng)力較大，易出現(xiàn)開(kāi)裂，建議這些部位應(yīng)加強(qiáng)鋼筋配置。

c）上橫梁與0號(hào)塊連為整體，主梁豎向荷載主要通過(guò)上橫梁傳遞到橋塔，故上橫梁底部局部區(qū)域會(huì)出現(xiàn)較大橫橋向拉應(yīng)力，這在設(shè)計(jì)中應(yīng)特別引起重視，一是在構(gòu)造上增加上橫梁拱形底板的厚度及矢跨比，二是增加上橫梁肋板橫向鋼束并加強(qiáng)底板鋼筋配置。此外，在上橫梁底板與塔柱內(nèi)側(cè)之間可采取順適過(guò)渡的結(jié)構(gòu)形式以避免出現(xiàn)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象。