獨塔斜拉橋0號塊空間應力分析

唐媛媛,袁帥華

(湖南科技大學 土木工程學院,湖南 湘潭,411201)

獨塔斜拉橋0號塊空間應力分析

唐媛媛,袁帥華

(湖南科技大學 土木工程學院,湖南 湘潭,411201)

以浙江省湖州市創(chuàng)業(yè)大橋為研究背景,運用有限元分析軟件分別建立了全橋的整體桿系模型以及0號塊主梁節(jié)段的空間實體模型。通過實體單元模型分析了最大懸臂階段及成橋階段下0號塊的空間應力分布情況,并對實體單元與桿系模型的縱向正應力結果進行了對比,得到應力變化規(guī)律。計算結果表明該橋0號塊整體以受壓為主,應力分布比較均勻,滿足設計與規(guī)范要求。

獨塔斜拉橋;實體模型;空間應力分析

獨塔斜拉橋0號塊從施工初始便承受了很大的荷載,內部布置大量的鋼筋和預應力管道,構造復雜,設有厚重的橫隔板,邊界條件特殊,整個結構空間效應明顯,處于復雜的三向受力狀態(tài)。因此,根據(jù)目前常用的平面分析方法很難反映其實際受力情況,須用空間的分析方法才能掌握結構的真實應力狀態(tài),從而確保橋梁結構的安全[1–2]。本文通過建立全橋桿系模型和0號塊空間實體模型,主要研究施工過程中最大懸臂階段和成橋階段0號塊的應力變化規(guī)律。

1 工程概況

湖州創(chuàng)業(yè)大橋主橋為跨徑149+100=249 m獨塔雙索面混凝土主梁斜拉橋,塔、梁、墩固結體系,主跨一跨跨越長湖申運河。索塔采用C50混凝土,橫向為“H”形索塔,索塔總高度為83.5 m,橋面以上索塔高度74 m,塔柱中心間距為27.5 m。主梁采用C55混凝土,標準斷面采用預應力混凝土雙主肋(π形)斷面,主梁中心高度2.8 m,主肋中心線處梁高2.545 m,主梁中心高度全橋不變。斜拉索采用平行鋼絲成品索,為空間扇形雙索面布置,橫向略微內傾。全橋共44對索,塔上索距2.15～2.25 m。梁上主跨基本索距6 m,錨跨索間距10×5.25 m+11×3.05 m。主橋立面位于豎曲線R=1 800 m的凸曲線上,前坡為3.0%,后坡為-3.0%。主橋平面大部分位于直線段,僅在錨跨近梁端約15 m范圍為緩和曲線,結構中心線與道路中線最大偏差約5 cm,通過懸臂段調節(jié)。標準段橋面凈寬38 m,設置雙向2%橫坡。主橋立面如圖1所示。

圖1 主橋立面布置圖(單位:cm)

2 全橋桿系模型的建立

創(chuàng)業(yè)大橋全橋有限元模型采用有限元分析軟件Midas/Civil 2013建立,模型共包括383個節(jié)點,286個單元,其中198個為梁單元,88個為桁架單元。主梁和主塔均采用梁單元進行模擬,斜拉索采用只受拉桁架單元模擬。按照實際施工順序,全橋共劃分為64個施工階段,主要包括索塔施工、支架澆筑0～1號塊以及邊跨現(xiàn)澆段、前支點掛籃懸臂澆筑2～7號塊、支架澆筑邊跨合攏段、懸臂澆筑8～22號塊、支架澆筑主跨現(xiàn)澆段、吊架澆筑主跨合攏段、橋面鋪裝、成橋10年收縮徐變[3]。全橋有限元模型如圖2所示,其中所采用的材料及其特性見表1。

圖2 全橋有限元計算模型

表1 主要材料特性表

3 空間實體模型的建立

根據(jù)圣維南原理,對于需要分析節(jié)段的應力分布,只與其附近區(qū)域的應力狀態(tài)有關,而遠離該節(jié)段區(qū)域對其應力分布影響很小。因此,本節(jié)所建空間實體模型將取0號塊以及與其相鄰的1～2號塊作為研究對象,索塔取用距橋面以上7.4 m范圍及下塔柱范圍[4–5]。

創(chuàng)業(yè)大橋0號塊節(jié)段長度為15 m,橋面寬度從43 m過渡到38 m,梁高為2.8 m,斷面形式采用的是雙主肋斷面及單箱3室斷面相結合的布置形式,塔墩梁固結。0號塊設有5道橫隔梁,其中靠近主墩3道橫梁厚為0.8 m,另2道厚為0.3 m。1～2號塊節(jié)段長度均為6.0 m,寬度38 m,梁高2.8 m,斷面形式為雙主肋斷面。主跨方向肋寬從2.0 m逐漸加寬至3.7 m,錨跨方向肋寬從2.5 m逐漸加寬至3.8 m。每節(jié)段設有1道橫隔梁,厚0.3 m。MB02～AB02節(jié)段的構造如圖3所示。

圖3 MB02～AB02節(jié)段構造(單位:cm)

采用有限元空間分析軟件Midas/Fea建立MB02～AB02節(jié)段實體模型,按照圖紙給定高程確定模型坐標原點,以縱橋向為X軸,橫橋向為Y軸,橋梁高度方向為Z軸。由于結構形式復雜,為了提升計算結果的精度,采用自定義線播種及填充網(wǎng)格命令建立網(wǎng)格,保證網(wǎng)格均為六面體單元。預應力鋼束運用Midas/Fea中特有的植入式鋼筋單元進行模擬,根據(jù)鋼筋的坐標點信息程序生成鋼筋線信息,將鋼筋的剛度添加到混凝土單元中,鋼筋單元與混凝土單元之間完全粘結沒有滑移。梁段預應力束包括縱向預應力束及橫向預應力束,采用自動網(wǎng)格線命令對鋼筋單元網(wǎng)格進行劃分[6–8]。

對于MB02～AB02節(jié)段空間實體模型,考慮以下3種荷載。① 自重荷載。通過定義自重因子程序會自動考慮。② 預應力荷載。在程序中輸入相應鋼筋單元的張拉應力。③ 未建出部分傳遞的內力。從全橋桿系模型中導出最大懸臂階段、成橋階段相應截面的內力值(包括彎矩、軸力、剪力)及索塔距橋面7.4 m處的截面軸力值如表2所示。通過在主梁節(jié)段前端截面和索塔截面形心處各建立1個主節(jié)點,采用剛性連接的方式將截面上其余節(jié)點與該節(jié)點連接,截面的內力加載于對應的主節(jié)點上;拉索拉力通過建立實際大小的拉索錨固塊,在錨固塊上施加等效內力進行模擬[9–10]。

此外,成橋階段還需在模型上添加橋面鋪裝荷載,荷載集度為5.2 kN/m2。邊界約束為塔底所有節(jié)點進行固結處理[11],剛性連接見圖4。

表2 加載內力表

圖4 剛性連接圖

4 0號塊空間應力分析

為了減小邊界效應對結構應力的影響,本節(jié)只取MB02～AB02節(jié)段中的0號塊作為分析對象。通過空間實體模型計算,得到2個施工階段的三向應力圖如圖5、6所示。

4.1 最大懸臂階段

由圖5(a)可知:0號塊縱橋向主梁整體以受壓為主,壓應力處于-15.5～-0.5 MPa之間,應力跨度較大;在索塔及橫隔板局部區(qū)域出現(xiàn)拉應力,拉應力不超過2.1 MPa,其中橫隔板與主梁相交處拉應力較大,屬于應力集中現(xiàn)象。

圖5 最大懸臂階段0號塊應力

由圖5(b)可知:0號塊橫橋向由于橫向預應力作用,總體還是以受壓為主,大部分區(qū)域應力處于-8.7～1.7 MPa之間;在索塔與主梁內側相交處壓應力較大,同時由于應力集中,在橫向預應力錨固位置出現(xiàn)最大壓應力。由圖5(c)可知:0號塊豎橋向主梁在索塔自重以及斜拉索豎向壓力影響下,塔梁相交位置有較大壓應力,大部分區(qū)域應力分布均勻,處于-7.8～1.8 MPa之間。

4.2 成橋階段

從圖6可以看出,0號塊成橋階段應力分布與最大懸臂階段相差不大,整體以受壓為主,應力分布比較均勻。

圖6 成橋階段0號塊應力(單位:MPa)

5 應力對比分析

根據(jù)整體空間應力分析結果,縱向應力變化幅度較大,且成橋階段應力和最大懸臂階段應力分布變化不大,因此,本節(jié)只對成橋階段實體單元與梁單元的縱向應力進行對比分析。

從實體單元及梁單元模型中分別提取0號塊縱向正應力。以圖3中0-0截面頂部中心為坐標原點,縱向取離0號塊中心線-7.5 m、-3.5 m、-2.8 m、-1.4 m、1.4 m、2.8 m、3.5 m、7.5 m這8個截面作為數(shù)據(jù)測點。

圖7 0號塊縱橋向應力曲線(單位:MPa)

由圖7可知:實體模型中0號塊上緣縱向正應力均為壓應力,其中箱形截面應力沿橫向呈波浪形分布,在±1.4 m、±2.8 m位置處出現(xiàn)負剪力滯效應,即主肋應力小于兩側應力,而在±3.5 m位置處出現(xiàn)了正剪力滯效應;雙主肋截面應力沿橫向分布較為均勻,從頂板中心至翼緣板端部應力值呈減小趨勢;沿縱向從0號塊中心位置向兩側方向,壓應力總體呈增大趨勢,且沿邊跨方向和主跨方向的應力相差不大。0號塊下緣縱橋向正應力也均為壓應力,沿橫向分布比較均勻,沿縱向邊跨方向和主跨方向的應力相差不大。

從圖7可得成橋階段0號塊實體單元與梁單元上、下緣縱向正應力如表3所示。

由表3可知,梁單元模型中0號塊上緣縱向均為壓應力,比較梁單元模型與實體模型上緣正應力值可以看出,實體模型的應力平均值與桿系模型的應力值相差較小。梁單元模型中0號塊下緣縱向也均為壓應力,與實體模型比較,橋塔與0號塊相交區(qū)域應力相差較大,這是由于梁單元模型中建立的都是雙主肋型梁,其余荷載均等效于集中荷載施加,導致截面應力偏大。

表3 0號塊縱向應力對比

6 結論

本文采用實體單元模型對最大懸臂階段和成橋階段0號塊整體空間應力進行分析,并對比成橋階段桿系模型中的縱向正應力結果,得到如下結論。

(1) 0號塊的縱向應力變化幅度較大,整體以受壓為主,除橫隔板與主梁相交位置產(chǎn)生拉應力,其余區(qū)域應力分布較為均勻;橫橋向由于橫向預應力作用,總體也處于受壓狀態(tài),在橫向預應力錨固位置及橫隔板底面位置會出現(xiàn)較大壓應力,拉應力主要出現(xiàn)于翼緣板與主肋相交區(qū)域;豎橋向除0號塊在塔梁相交位置產(chǎn)生較大壓應力之外,整體應力變化范圍很小,且分布均勻。此外,在成橋階段與最大懸臂階段的應力分布相差不大。

(2) 實體模型中0號塊上、下緣縱向正應力均為壓應力,沿縱向邊跨方向和主跨方向的應力值相差不大;其中箱形截面上緣應力沿橫向呈波浪形分布,除在塔梁相交處截面主肋頂緣壓應力較大,其他截面呈負剪力滯效應,下緣應力沿橫向分布比較均勻;雙主肋截面上、下緣應力沿橫向分布均勻,從對稱中心向兩側方向應力值呈減小趨勢。

(3) 除橋塔與0號塊相交區(qū)域應力相差較大,實體模型的縱向正應力平均值與梁單元模型的應力值相差較小。

綜上所述,創(chuàng)業(yè)大橋0號塊整體以受壓為主,應力分布比較均勻,滿足設計與規(guī)范要求。

[1] 賈麗君,肖汝誠,孫斌,等. 大跨度懸索橋的三維應力分析方法[J]. 中國公路學報,2000,13(3):33–35.

[2] 汪勁豐,項貽強. 獨塔單索面斜拉橋空間應力狀態(tài)分析[J]. 鐵道標準設計,2005(3):35–38.

[3] 于可鑫. 大跨連續(xù)梁橋懸臂施工空間應力分析[D]. 哈爾濱:東北林業(yè)大學,2013.

[4] 李博,王立峰,陳新培,等. 矮塔斜拉橋0#塊空間應力分析[J]. 中外公路,2014(6):127–130.

[5] 黃江,胡成. 某矮塔斜拉橋0號梁段空間應分析[J]. 合肥工業(yè)大學學報(自然科學版),2012,35(8):1 097–1 100.

[6] 楊霞林,李喬,冉琦山. 斜拉橋雙箱單室箱形主梁的空間應力分析[J]. 中國公路學報,2006,19(1):71–74.

[7] 王子強. 矮塔斜拉橋0#塊空間應力測試與分析[D]. 哈爾濱:東北林業(yè)大學,2014.

[8] 孫開旗. 矮塔斜拉橋箱梁空間效應分析[D]. 合肥:合肥工業(yè)大學,2015.

[9] 黃江. 大跨度管桁架承載力及穩(wěn)定性分析[D]. 合肥:合肥工業(yè)大學,2012.

[10] 王立峰,賈艷敏,肖子旺. 龍華松花江特大橋0#塊空間應力分析[J]. 中外公路,2011,31(4):113–116.

[11] 葛素娟,李靜斌. 水南特大橋主橋0#塊局部有限元分析[J]. 公路交通科技(應用技術版),2006(6):118–120.

The single tower cable-stayed bridge 0 block space stress analysis

Tang Yuanyuan,Yuan Shuaihua
(College of Civil Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China)

As an example of Chuangye Bridge in Huzhou of Zhejiang Province,the overall truss model and the space girder segment 0 blocks entity model of bridge is established by applying the finite element analysis software.Through the entity unit model calculation,the largest cantilever stage and 0 block space stress distribution in the bridge stage are analyzed,and the entity unit is compared with the results of the longitudinal normal stress of the truss model,so the stress change rule is obtained. The calculation results show that bridge's 0 block is dominated by pressure,the stress distribution is uniform,and the design and specification are met.

single pylon cable stayed bridge;entity model;spatial stress analysis

U 411.5

A

1672–6146(2017)04–0072–05

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.04.018

唐媛媛,462207307@qq.com。

2017–05–02

國家自然科學基金資助項目(51078197);湖南省高校創(chuàng)新平臺開放基金資助項目(09K083)。

(責任編校:江河)