斜塔斜拉橋主塔詳細(xì)應(yīng)力分析

□文/張 昊 謝 斌 張一卓 何玉寶 楊 潔 陸華臻

主塔是斜拉橋的主要受力構(gòu)件，通過常規(guī)的全橋梁單元模型分析，可進(jìn)行全橋的施工、運(yùn)營階段動力特性分析和彈性穩(wěn)定性分析，獲得全橋的靜、動力特性，但基于全橋梁單元模型的分析，無法實(shí)現(xiàn)對局部構(gòu)造詳細(xì)受力尤其是橫向受力特點(diǎn)的分析，特別是特殊橋型及橋塔的受力，更有必要針對其本身進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析。

鄂爾多斯烏蘭木倫河450 m主跨混合梁斜塔斜拉橋的設(shè)計(jì)橋型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，細(xì)部構(gòu)造繁多，而且A形橋塔和鋼主梁都是薄壁桿件，局部受力特點(diǎn)對整個橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全有很重要的作用。為了能夠更準(zhǔn)確地分析橋塔受力特性，特別是橋塔橫截面應(yīng)力分布，加勁肋和鋼錨箱的受力特點(diǎn)等情況，有必要采用板單元詳細(xì)模擬A形橋塔的塔壁、橫隔板、加勁肋以及錨箱構(gòu)造，對A形橋塔的詳細(xì)受力及變形特點(diǎn)進(jìn)行分析研究，以期得到準(zhǔn)確的橋塔應(yīng)力分布特點(diǎn)，從而對該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)并對類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 工程概況

鄂爾多斯烏蘭木倫河四號景觀大橋?yàn)榛旌狭盒彼崩瓨?，主跨?50 m，雙塔三跨，縱向飄浮體系，采用A型斜塔并向主跨側(cè)傾斜12°。邊跨設(shè)輔助墩，橋塔與主梁相交處設(shè)橋墩。主橋跨徑布置為40 m+42 m+42 m+51 m+450 m+40 m+42 m+42 m+51 m。見圖1和圖2。

橋塔為A形鋼塔，南、北兩橋塔由于兩側(cè)地形相差較大，橋面以下高度不同，上塔段高度為105 m，高跨比為1/4.3。順橋向?qū)挾扔伤斨恋锥藦? m加大到約10 m，橫橋向等寬為3.3 m。上塔柱斷面為單箱三室結(jié)構(gòu)，壁厚36 mm，下塔柱為單箱六室結(jié)構(gòu)，壁厚42 mm。見圖3。矩形塔柱外側(cè)設(shè)置切角，提高抗風(fēng)性能。

圖1 平面布置

圖2 橋塔投影

圖3 橋塔截面構(gòu)造

鋼塔柱伸入下塔墩5 m(鋼塔中心處垂直高度)并在鋼塔柱灌注C50混凝土過渡。在鋼塔柱埋入段的壁板及腹板上開φ60 mm圓孔，穿φ25 mmHRB335鋼筋與進(jìn)入該孔的混凝土形成PBL剪力鍵，在下塔墩以上4 m范圍的鋼塔柱內(nèi)表面按20 cm×20 cm間隔設(shè)置φ22 mm×170 mm圓柱頭焊釘，由兩者共同把橋塔受壓時產(chǎn)生的剪力以混凝土受壓的形式均勻傳遞到基礎(chǔ)上。為增加鋼塔與下塔墩接觸面積，優(yōu)化剪力傳遞效果，伸入下塔墩的鋼塔柱側(cè)壁外設(shè)置鋼板伸出肢。橋塔受拉或受彎時產(chǎn)生的拉應(yīng)力由錨固在主墩承臺及鋼塔柱之間的預(yù)應(yīng)力鋼束承受，同時加設(shè)精軋螺紋鋼筋，以減少預(yù)壓力的不均勻性。

斜拉索采用空間扇形布置，對應(yīng)每個橋塔布置34對斜拉索。斜拉索通過鋼錨箱與鋼梁連接，通過混凝土錨塊與混凝土梁連接，為方便結(jié)果分析，特將斜拉索編號如下：南橋塔自塔頂背索向下，邊跨側(cè)編號為A17～A1，主跨側(cè)為A17′～A1′；北橋塔自塔頂背索向下，邊跨側(cè)編號為B17～B1，主跨側(cè)為B17′～B1′。

2 主塔詳細(xì)模擬

以南橋塔為例，采用有限元軟件ALGOR進(jìn)行建模，對橋塔外壁板、內(nèi)部的橫隔板、加勁肋和錨箱結(jié)構(gòu)用板單元進(jìn)行詳細(xì)模擬，單元總數(shù)約40萬個。見圖4。

圖4 A形橋塔整體模擬

對A形斜塔獨(dú)立分析，除自重外，其他外荷載對橋塔的作用都是通過斜拉索的索力傳遞給橋塔，而索力加載采用均勻節(jié)點(diǎn)集中荷載的方法進(jìn)行模擬。

根據(jù)全橋梁單元模型分析結(jié)果，得出針對橋塔的四組相對不利的索力，分別使得橋塔底端產(chǎn)生最大、最小軸力和最大、最小彎矩，見表1。

表1 不利索力 kN

將四組索力分別與橋塔自重相組合，得五種工況。

工況一：裸塔自重。

工況二：自重+索力1(使塔底產(chǎn)生最小軸力)。

工況三：自重+索力2(使塔底產(chǎn)生最大軸力)。

工況四：自重+索力3(使塔底產(chǎn)生最大彎矩)。

工況五：自重+索力4(使塔底產(chǎn)生最小彎矩)。

3 主塔詳細(xì)分析

根據(jù)板單元詳細(xì)模型，分別對五種工況進(jìn)行分析，得出各個構(gòu)件詳細(xì)應(yīng)力結(jié)果，基于此，對模型的變形進(jìn)行分析，研究其剛度。

3.1 應(yīng)力分布

以工況四為例。組成橋塔的各板件應(yīng)力分布見圖5-圖10。

圖5 翼緣應(yīng)力

圖6 外腹板應(yīng)力

圖7 內(nèi)腹板應(yīng)力

圖8 橫隔板應(yīng)力

圖9 加勁肋應(yīng)力

圖10 錨箱應(yīng)力

3.2 應(yīng)力匯總

五種工況作用下，橋塔各部件最不利應(yīng)力見表2。

表2 各部件應(yīng)力匯總 MPa

續(xù)表2

續(xù)表2

由表2可以看出，前后翼緣板最大Von Mises應(yīng)力是124.57 MPa，最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力分別是99.47、-122.47 MPa；腹板的最大 Von Mises應(yīng)力是122.16 MPa，最大及最小主應(yīng)力分別是95.9、-122.45 MPa；加勁肋的最大Von Mises應(yīng)力是149.83 MPa，最大及最小主應(yīng)力分別是121.30、-138.69 MPa；橫梁應(yīng)力最大部位為橫隔板，最大Von Mises應(yīng)力是127.06 MPa，最大及最小主應(yīng)力分別是 53.12、-132.61 MPa，上述應(yīng)力計(jì)算結(jié)果均在材料允許使用強(qiáng)度范圍內(nèi)并具有一定的安全儲備，說明橋塔設(shè)計(jì)基本合理。

全橋塔最大換算應(yīng)力為178.88 MPa，出現(xiàn)在錨箱翼緣；最大主應(yīng)力為149.60 MPa，出現(xiàn)在錨箱鋼管；最小主應(yīng)力為-179.79 MPa，出現(xiàn)在錨箱墊板：橋塔應(yīng)力水平相對合理。

3.3 橋塔根部應(yīng)力分析

A形橋塔基于板單元的ALGOR詳細(xì)模型建模復(fù)雜，部件較多，構(gòu)件之間的連接耦合亦比較繁瑣，在整個板單元模型的實(shí)現(xiàn)過程中，不易控制所有單元使其形狀規(guī)則、大小均勻，尤其是多個部件含有相對傾斜的連接耦合之處，故應(yīng)力計(jì)算時，很難避免應(yīng)力集中。鑒于此，根據(jù)橋塔受力的特點(diǎn)，進(jìn)一步抽取橋塔根部，尤其是前后翼緣板的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。根部結(jié)構(gòu)簡單，單元規(guī)則且從理論分析的角度可以認(rèn)為其應(yīng)反映了橋塔的最大應(yīng)力狀況。不利工況作用下塔根處翼緣板應(yīng)力分布見圖11-圖14。

圖11 工況二下橋塔根部翼緣板應(yīng)力

圖12 工況三下橋塔根部翼緣板應(yīng)力

圖13 工況四下橋塔根部翼緣板應(yīng)力

圖14 工況五下橋塔根部翼緣板應(yīng)力

綜上分析結(jié)果，橋塔根部為橋塔為彎矩及軸力最不利的位置，結(jié)果表明，此處最大主拉應(yīng)力為43.06 MPa，最大主壓應(yīng)力為102.20 MPa，滿足材料使用要求。

橋塔根部翼緣進(jìn)一步的詳細(xì)應(yīng)力分析可以更精確的反應(yīng)橋塔最大應(yīng)力情況，分析結(jié)果可知，前述主塔詳細(xì)應(yīng)力分析存在一定的應(yīng)力集中，但其結(jié)果基本代表并可包絡(luò)各個構(gòu)件的詳細(xì)應(yīng)力分布。

3.4 變形計(jì)算分析

在以上五組工況作用下，基于主塔板單元模型，分析其變形，以便更準(zhǔn)確的了解其剛度特征，摘取部分工況結(jié)果，觀察A形斜塔的位移見圖15和表3。

圖15 典型工況下橋塔變形

表3 五種工況下變形匯總 mm

由表3可以看出，橋塔最大變形量446.41 mm，出現(xiàn)在自重和最大彎矩索力組合工況。成橋之后，在工況三、工況四和自重和工況五作用下，橋塔塔頂均出現(xiàn)朝岸側(cè)的縱向變形分別為208.73、427.78、193.99 mm，設(shè)計(jì)中可通過適當(dāng)預(yù)拋調(diào)整塔頂縱向變形。

4 研究結(jié)論和不足

橋塔是斜拉橋主要承力構(gòu)件，橋塔均為薄壁結(jié)構(gòu)，內(nèi)部橫隔板、加勁肋眾多，相對于梁單元，板單元可以更準(zhǔn)確地模擬橋塔并可以模擬錨箱等結(jié)構(gòu)且能得到更詳細(xì)、準(zhǔn)確的應(yīng)力分布及剛度特征，尤其局部細(xì)節(jié)的應(yīng)力分布。

模型中適當(dāng)提高局部控制板件模擬精度，根據(jù)其結(jié)果可對分析結(jié)果做進(jìn)一步的定性分析，本文中通過對橋塔根部翼緣板的精確分析，定性分析主塔詳細(xì)應(yīng)力結(jié)果的應(yīng)力集中情況及包絡(luò)性。

根據(jù)分析結(jié)果，錨箱處應(yīng)力明顯高于其他處。其通過上、下翼緣板與塔柱腹板的焊接將索力傳遞給橋塔，因此錨箱翼緣板與塔柱腹板之間的焊接質(zhì)量是影響索力傳遞的關(guān)鍵，在設(shè)計(jì)及施工過程中，應(yīng)優(yōu)先保證此處焊縫的完整及質(zhì)量。

從橋塔構(gòu)造而言，主要受力板件連接焊縫盡量熔透，錨箱結(jié)構(gòu)板件相對緊湊，應(yīng)采取必要建造順序和措施，使建造結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求；從鋼結(jié)構(gòu)通用設(shè)計(jì)原則而言，箱型結(jié)構(gòu)外側(cè)連接構(gòu)件的主要板件要求和箱內(nèi)橫隔板(或斜向隔板)相對應(yīng)，使局部傳力順暢，橋塔橫梁設(shè)計(jì)時應(yīng)遵循此原則。

由于水平和精力有限，本文尚未對該橋整體受力特點(diǎn)進(jìn)行展開論述，尤其是對鋼錨箱這一個關(guān)鍵受力構(gòu)件的受力及構(gòu)造應(yīng)進(jìn)行針對性的分析，希望后續(xù)努力能在此方面得到進(jìn)一步的成果。