矮塔斜拉橋拉索區(qū)橫隔梁空間應(yīng)力分析

李群鋒

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

背景橋?yàn)椋?7+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，半橋?qū)挷贾脼?.0 m拉索區(qū)+2.5 m人行道+10.5 m機(jī)動(dòng)車道，橋梁全寬28.0 m。主梁為單箱雙室結(jié)構(gòu)，橋塔處梁高5 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。橋塔呈Y型，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兩側(cè)主梁上。

該矮塔斜拉橋拉索在梁上的錨固位置位于箱梁兩側(cè)懸臂板端部，屬斜拉索與混凝土箱梁的錨固[1]，通過在懸臂板端部底面設(shè)置拉索錨塊以及貫通整個(gè)箱梁橫斷面的剛性橫隔梁來分散拉索巨大的索力。由于斜拉索向外傾斜，拉索索力分解為三向空間力系，該力系通過拉索錨塊傳遞到與之相鄰的頂板及橫隔梁上，造成索梁錨固區(qū)段橫隔梁應(yīng)力分布比一般的橫隔梁更為復(fù)雜，加之索力較大的原因，拉索區(qū)橫隔梁往往會(huì)出現(xiàn)受力薄弱的部位?；谝陨暇C合因素，為精確掌握拉索區(qū)橫隔梁的受力特性，有必要對(duì)索梁錨固區(qū)梁段建立實(shí)體分析模型，以期得到橫隔梁空間應(yīng)力分布狀態(tài)，優(yōu)化橫隔梁橫向鋼束的設(shè)計(jì)工作。主橋立面圖如圖1所示。

圖1 主橋立面圖（單位：cm）

1 拉索區(qū)主梁及橫隔梁構(gòu)造

拉索區(qū)主梁為單箱雙室直腹板截面，梁高3.5 m，梁底寬18.0 m，兩邊懸臂各5.0 m，懸臂頂板厚35 cm，箱室頂板厚28 cm，底板厚45 cm，邊腹板厚80 cm，中腹板厚60 cm。上橫隔梁厚55 cm，主梁中心線處上橫隔梁高158 cm，邊腹板處高140 cm；下橫隔梁厚25 cm，高50 cm。拉索區(qū)主梁及橫隔梁采用C55混凝土。主梁截面構(gòu)造及橫隔梁截面構(gòu)造如圖2、圖3所示。

圖2 主梁截面構(gòu)造（單位：cm）

圖3 橫隔梁截面構(gòu)造（單位：cm）

2 建立實(shí)體有限元分析模型

2.1 選取分析梁段

拉索區(qū)主梁截面相同，外側(cè)斜拉索索力相對(duì)較大，通過采用有限元軟件Midas/Civil建立全橋桿系分析模型，分析結(jié)果表明邊跨遠(yuǎn)離橋塔的S7號(hào)斜拉索索力最大，因此，在拉索區(qū)橫隔梁局部空間效應(yīng)分析中，縱向梁段選取離塔最遠(yuǎn)端斜拉索S6～S8范圍內(nèi)3個(gè)主梁節(jié)段。在橫斷面上，由于主梁關(guān)于橋梁中心線對(duì)稱布置，且考慮到計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模，橫橋向選取半幅箱梁斷面進(jìn)行分析[2]。

2.2 荷載及邊界條件

在拉索區(qū)橫隔梁空間應(yīng)力分布規(guī)律分析中，荷載應(yīng)選取最不利荷載組合下的內(nèi)力進(jìn)行加載。一是遠(yuǎn)離塔的主梁自由端截面荷載選取成橋狀態(tài)下最不利頻遇組合下的內(nèi)力，針對(duì)選取的局部模型，內(nèi)力結(jié)果取為全截面內(nèi)力的1/2，具體內(nèi)力值見表1；二是最不利頻遇組合下的斜拉索S6～S8索力，分別取為：T6=6 189 kN，T7=7 288 kN，T8=7 282 kN，荷載作用位置為垂直于拉索錨塊錨墊板，按均布面荷載施加。

表1 主梁截面內(nèi)力值

對(duì)于邊界條件，實(shí)體分析模型將靠近橋塔側(cè)的主梁截面固結(jié)，另一面自由，并取箱梁中心線位置截面為對(duì)稱邊界條件。加載及邊界條件如圖4所示。

圖4 拉索區(qū)梁段局部空間分析加載及邊界條件示意

2.3 模型劃分

利用空間有限元分析軟件Midas/FEA建立拉索區(qū)梁段實(shí)體分析模型，對(duì)拉索錨塊區(qū)域單元尺寸按10 cm進(jìn)行控制劃分，對(duì)其余部位單元按20 cm進(jìn)行劃分，共劃分為236 417個(gè)單元，53 491個(gè)節(jié)點(diǎn)。分析梁段預(yù)應(yīng)力鋼束布置為：頂板21根橫向束，上橫隔梁9根橫向束（每道上橫隔梁3束），頂板4根縱向束，底板6根縱向束，共40根鋼束，鋼束采用鋼筋梁?jiǎn)卧M并分別進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。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=1 339.2 MPa。拉索區(qū)梁段實(shí)體模型及全部鋼束模型分別見圖5、圖6。

圖5 拉索區(qū)梁段結(jié)構(gòu)離散圖

圖6 梁段鋼束模型圖

3 橫隔梁空間應(yīng)力分析

首先建立自由端截面質(zhì)心節(jié)點(diǎn)，在質(zhì)心節(jié)點(diǎn)與截面全部節(jié)點(diǎn)之間建立剛性連接，將表1中的內(nèi)力施加在質(zhì)心節(jié)點(diǎn)上，施加過程中要注意Midas/Civil梁?jiǎn)卧鴺?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)系轉(zhuǎn)換為整體坐標(biāo)系[3]。應(yīng)力分析云圖中，均以拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。

橫隔梁空間應(yīng)力分析分為兩個(gè)工況，分別為上橫隔梁未配置橫向鋼束、上橫隔梁配置橫向鋼束，以便對(duì)橫隔梁配束前后的受力特性進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)驗(yàn)證上橫隔梁橫向鋼束配置的合理性及有效性。上橫隔梁橫向鋼束布置可見圖4。

3.1 工況一 上橫隔梁未配置橫向鋼束

拉索區(qū)橫隔梁空間應(yīng)力分布圖如圖7～圖10所示。由圖7可見，邊腹板外側(cè)上橫隔梁下部位置橫橋向拉應(yīng)力很大，最大值達(dá)到9.5 MPa，位于上橫隔梁與腹板相連部位；由圖8可見，上橫隔梁與邊腹板連接處周邊范圍邊腹板豎向拉應(yīng)力較大，最大值約4.0 MPa；由圖9可見，上橫隔梁最大主拉應(yīng)力為11.0 MPa，出現(xiàn)位置同橫橋向拉應(yīng)力；由圖10可見，下橫隔梁主拉應(yīng)力在0～4 MPa間，最大值位于下橫隔梁與腹板相連處，下橫隔梁主拉應(yīng)力較上橫隔梁小，說明斜拉索索力大部分是由上橫隔梁來傳遞，下橫隔梁承擔(dān)的作用較小。

圖7 上橫隔梁橫橋向應(yīng)力（工況一）

圖8 上橫隔梁豎向應(yīng)力（工況一）

圖9 上橫隔梁主拉應(yīng)力（工況一）

圖10 下橫隔梁主拉應(yīng)力（工況一）

3.2 工況二 上橫隔梁配置橫向鋼束

根據(jù)工況一橫隔梁空間應(yīng)力分布狀態(tài)，對(duì)上橫隔梁進(jìn)行橫向鋼束配置，配置了橫向鋼束后的拉索區(qū)橫隔梁空間應(yīng)力分布圖如圖11～圖14所示。由圖11可見，同工況一對(duì)比，上橫隔梁橫向橋基本處于受壓狀態(tài)，絕大區(qū)域處在-1～-14 MPa壓應(yīng)力范圍內(nèi)；由圖12可見，上橫隔梁與邊腹板連接處周邊范圍的最大豎向拉應(yīng)力由工況一的4 MPa降低到0.6 MPa；由圖13可見，上橫隔梁最大主拉應(yīng)力同工況一對(duì)比已降低到1.5 MPa，且分布在邊腹板內(nèi)側(cè)與上橫隔梁相連處的角隅處；由圖14可見，下橫隔梁主拉應(yīng)力對(duì)比工況一也降低到0～2.5 MPa范圍。

圖11 上橫隔梁橫橋向應(yīng)力（工況二）

圖12 上橫隔梁豎向應(yīng)力（工況二）

圖13 上橫隔梁主拉應(yīng)力（工況二）

圖14 下橫隔梁主拉應(yīng)力（工況二）

4 結(jié)語

a）在最不利荷載組合下，通過對(duì)未配置橫向鋼束的橫隔梁進(jìn)行空間應(yīng)力分析可知，懸臂板位置處上橫隔梁下部區(qū)域橫橋向應(yīng)力及主拉應(yīng)力很大，并且朝著邊腹板方向呈增大趨勢(shì)，此外，上橫隔梁會(huì)造成與之相連的邊腹板局部范圍產(chǎn)生較大豎向拉應(yīng)力。對(duì)于下橫隔梁，斜拉索索力主要由上橫隔梁傳遞，下橫隔梁受力較小，其應(yīng)力也較上橫隔梁小。

b）在對(duì)上橫隔梁配置橫向鋼束后，通過分析最不利荷載組合下的橫隔梁應(yīng)力分布狀態(tài)可知，上橫隔梁橫橋向處于受壓狀態(tài)，最大主拉應(yīng)力降低至1.5 MPa，且僅分布在上橫隔梁與邊腹板內(nèi)側(cè)相連的角隅部位，建議加強(qiáng)此處的鋼筋配置或是在構(gòu)造上設(shè)置倒角；與上橫隔梁相連的邊腹板豎向拉應(yīng)力降低至0.6 MPa，因腹板配有豎向箍筋且拉應(yīng)力很小此處可不做處理。對(duì)于下橫隔梁，其主拉應(yīng)力峰值降低至2.5 MPa，下橫隔梁總體上受力較小，建議在設(shè)計(jì)中加強(qiáng)下橫隔梁與腹板連接部位的鋼筋配置。