鋼管混凝土獨塔斜拉橋塔柱鋼錨梁設(shè)計與優(yōu)化

劉道偉

摘 要：結(jié)合一座鋼管混凝土獨塔斜拉橋為背景，針對其特有鋼管混凝土塔柱結(jié)構(gòu)特點，利用大型通用有限元軟件ANSYS對鋼管塔柱錨固區(qū)段進(jìn)行建模分析計算。結(jié)合橋梁整體受力特征，分析最不利組合下錨固段應(yīng)力分布規(guī)律。針對索塔鋼錨梁應(yīng)力分布規(guī)律，優(yōu)化錨固的結(jié)構(gòu)形式及構(gòu)件尺寸，得出優(yōu)化后的鋼錨梁結(jié)構(gòu)受力合理滿足規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：獨塔斜拉橋；鋼管混凝土塔柱；鋼錨箱

中圖分類號：U448.27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）07-0090-03

1 橋梁概況

某市政橋為斜拉橋主橋采用獨塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，跨徑組成為（100+100）m。橋面以上塔高62.0m，塔柱縱向中距5.5m。斜拉索在主梁上標(biāo)準(zhǔn)索距6.0m，主塔上間距2.5m。主橋結(jié)構(gòu)見斜拉橋邊墩墩頂設(shè)置縱向活動支座，主塔與主梁相交處采取墩、塔、梁固結(jié)形式。如圖1所示。

主梁采用等高度倒梯形展翅箱梁，單箱五室斜腹板截面。箱梁頂寬29m，底板寬13m，懸臂長2.5m，箱梁對稱中心線處梁高2.85m。標(biāo)準(zhǔn)段箱梁頂板厚0.2m，底板厚0.25m，外腹板厚0.35m，中腹板為直腹板，厚0.45m。斜拉索錨固處均設(shè)一道橫梁，邊室橫梁厚0.30m，中室橫梁厚0.4m。

索塔為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。下塔柱兩個Φ2800×30mm鋼管內(nèi)灌C60微膨脹混凝土組成；在塔柱與斜拉索的錨固點處設(shè)置鋼錨梁。如圖2所示。

2 結(jié)構(gòu)模型

本次計算使用大型通用有限元計算程序ANSYS。為更加真實的模擬局部子模型受力和邊界條件和盡可能減少計算量，先通過全橋桿系模型計算各種工況下整體受力，獲得最不利工況，然后將錨梁局部區(qū)域建立板殼和實體模型嵌入到整體模型之中，采用整體和局部子結(jié)構(gòu)相結(jié)合方法，驗算最不利工況下局部的受力狀況。如圖3所示。

整體模型采用三維桿單元，橋墩底部采用固結(jié)的約束方式，在塔梁結(jié)合處與梁固結(jié)，再與橋墩上的節(jié)點耦合。斜拉索采用了三維桁架單元，彈性模量考慮了垂度效應(yīng)的Ernst修正。鋼錨梁采用殼單元。

在整體模型的計算中，一共考慮了9種荷載工況，根據(jù)整體分析得到的各荷載工況下的斜拉索索力如圖4。在“恒載+活載+索塔升溫”工況3下，2號拉索的索力最大，錨梁局部模型采用該工況下的2號拉索索力。

3 鋼錨梁局部應(yīng)力計算結(jié)果

在選擇的不利荷載工況對應(yīng)的最大索力對索塔鋼錨箱進(jìn)行局部實體分析，分析結(jié)果得到鋼錨梁應(yīng)力分布規(guī)律如圖5所示：

在斜拉索錨頭直接作用處鋼錨梁腹板局部應(yīng)力集中，最大Mises應(yīng)力約250MPa；在底板與塔壁連接處局部應(yīng)力集中，最大Mises應(yīng)力約100MPa，底板應(yīng)力較??；在鋼錨梁上頂板斜拉索錨頭直接作用處局部應(yīng)力集中，最大Mises應(yīng)力約180MPa，下頂板局部應(yīng)力最大Mises應(yīng)力約290MPa；鋼錨梁上層斜支撐板局部應(yīng)力最大Mises應(yīng)力約220MPa；鋼錨梁豎向加勁板局部應(yīng)力最大Mises應(yīng)力約100MPa，加勁板應(yīng)力較?。讳撳^梁下層斜支撐板局部應(yīng)力最大Mises應(yīng)力約335MPa，下層斜支撐板局部應(yīng)力較大，鋼錨梁下層斜支撐板表面與中面的應(yīng)力比較，中面最大Mises應(yīng)力約80MPa，可見支撐板的面外彎曲應(yīng)力較大。如圖6所示。

由此可知，鋼錨梁的最大局部應(yīng)力未超過屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。其中，下層斜支撐板由于面外彎曲引起的局部應(yīng)力較大，底板與塔壁連接的角點處局部應(yīng)力集中，結(jié)構(gòu)還可以進(jìn)一步優(yōu)化。

4 鋼錨梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對下層斜支撐板由于面外彎曲引起的局部應(yīng)力較大和底板與塔壁連接的角點處局部應(yīng)力集中問題，對原設(shè)計做以下修改：

（1）在原設(shè)計的底板處添加圓弧倒角，以改善局部的應(yīng)力集中。（2）將豎向的加勁板改為平行于斜拉索的方向，避免了加勁板對下層斜板的不利影響，同時可以對腹板起到加勁作用。

見圖7，優(yōu)化后的鋼錨梁進(jìn)行局部分析計算，計算結(jié)果表明在底板添加了圓弧倒角之后，應(yīng)力集中沒有發(fā)生在角點處，對焊縫的疲勞有一定的改善作用。將豎向的加勁板改為平行于斜拉索的方向，有效的改善了下層斜支撐板受力狀況。

見圖8，鋼錨梁下層斜支撐板局部應(yīng)力計算結(jié)果最大Mises應(yīng)力約260MPa。修改方案的應(yīng)力集中有了明顯的改善，最大Mises應(yīng)力從335MPa降到260MPa。

5 結(jié)語

（1）鋼錨梁組成構(gòu)件繁雜且受力狀況復(fù)雜，通過有限元軟件對鋼錨梁進(jìn)行受力分析，得出鋼錨梁的應(yīng)力分布規(guī)律，根據(jù)應(yīng)力分布規(guī)律優(yōu)化后的鋼錨梁結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的。（2）通過對鋼錨梁斜支撐板及其腹板加勁板的受力分析，然后對加勁板位置及方向進(jìn)行比較可以得出加勁板的布置盡量平行于斜支撐板，避免其交錯給斜支撐板受力帶來不利影響。（3）鋼錨梁底板與鋼管塔壁連接處受力復(fù)雜，容易出現(xiàn)應(yīng)力局部集中，可采用增大鋼錨梁底板厚度或?qū)挾鹊姆绞教幚怼?/p>

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