劉子君,胡成,朱大勇
(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利學(xué)院,安徽 合肥,23009)
斜拉橋是由承壓的橋塔、受壓彎的梁體與受拉的斜拉索組合起來的一種結(jié)構(gòu)體系。其結(jié)構(gòu)體系一般分為漂浮體系、支承體系、塔墩固結(jié)體系和剛構(gòu)體系。其中剛構(gòu)體系是指塔柱、橋墩、主梁互為固結(jié),形成跨度內(nèi)具有多點(diǎn)彈性支承的剛構(gòu)。該結(jié)構(gòu)體系剛度比較大,變形小,主塔部位無需設(shè)置支座,容易滿足懸臂施工的穩(wěn)定要求。不足之處是主梁固結(jié)處負(fù)彎矩大,索塔承受很大的溫度應(yīng)力及水平地震作用。塔梁墩固結(jié)區(qū)除了承受橋塔傳遞的巨大軸向力和彎矩外,還承受由主梁傳遞而來的較大軸力、彎矩和剪力,整體受力和構(gòu)造很復(fù)雜。而且此處受梁體內(nèi)的橫隔板、過人洞等影響,結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力值變化較大,影響結(jié)構(gòu)安全[1-2]。鋼管混凝土原理是相似于橫向配筋,對管內(nèi)受壓混凝土施加側(cè)向約束,使其三向受壓,延緩了混凝土的縱向開裂,鋼管外由于沒有混凝土保護(hù)層,故能充分發(fā)揮其材料的承載能力。圓形鋼管混凝土柱的強(qiáng)度,在任意方向都是相等的,這對于抵抗方向不定的地震作用是較為有效的[3]。目前,鋼管混凝土是在斜拉橋橋塔中的應(yīng)用也是比較經(jīng)濟(jì)合理的一種結(jié)構(gòu)形式。
某淮河大橋主橋采用(100+75)m鋼管混凝土獨(dú)塔斜拉橋,全長175 m,橋梁整幅布置,橋梁寬度為24.00 m,主橋采用塔、梁、墩固接體系。主塔采用雙柱式,橋面以上塔高為59.91 m,塔柱下段為這兩根順橋向凈距2 m的圓柱形鋼管混凝土。橋塔選用Q345qD鋼,管內(nèi)填充C50微膨脹混凝土。主梁則采用單箱五室斜腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁,箱梁頂板寬24.00 m。塔下箱梁梁高為3.90 m,節(jié)段長10 m,標(biāo)準(zhǔn)段梁高為3.40 m,在塔下兩側(cè)各8.15 m范圍內(nèi)線性過渡。主梁采用C50混凝土,縱、橫向均張拉預(yù)應(yīng)力。主梁縱向主墩采用梯形空心墩,主墩高16.00 m,主橋立面圖見圖1,圖中尺寸單位為m。
圖1 主橋立面圖
全橋結(jié)構(gòu)分析采用有限元分析軟件Midas/Civil建立桿系整體分析模型(見圖2),模型有168個(gè)單元,220個(gè)節(jié)點(diǎn)。整體分析中主梁、橋墩和主塔均采用梁單元建立,斜拉索則采用桿單元建立。由于主梁在塔墩梁固結(jié)區(qū)處處于負(fù)彎矩區(qū)域范圍,同時(shí)是支點(diǎn)所處位置,根據(jù)該整體有限元分析表明該位置出現(xiàn)了顯著的應(yīng)力變化,考慮到空間桿系整體分析模型只是一個(gè)單梁模型,不能準(zhǔn)確反映其結(jié)構(gòu)的空間受力情況,因此需要建立局部空間有限元模型來計(jì)算橫橋向受力情況及總體靜力計(jì)算所不能反應(yīng)的空間受力特征。局部應(yīng)力分析采用子結(jié)構(gòu)法,即首先通過結(jié)構(gòu)整體分析,得到局部結(jié)構(gòu)截面的內(nèi)力。再將要分析的局部區(qū)域隔離出來,將截面內(nèi)力作為荷載施加在對應(yīng)的位置處。在采用子結(jié)構(gòu)法對局部應(yīng)力進(jìn)行分析時(shí),重要的是確定子結(jié)構(gòu)的尺寸和邊界條件[4]。
圖2 整體MIDAS模型
本文采用有限元分析軟件ANSYS14.5建立獨(dú)塔斜拉橋塔墩梁結(jié)合段局部分析模型。根據(jù)彈性力學(xué)中的圣維南原理[5][6],可知分布于彈性體上的一小塊面積(體積)內(nèi)的荷載所產(chǎn)生的應(yīng)力,在離荷載作用區(qū)稍遠(yuǎn)處,基本上只與荷載的合力和合力矩有關(guān)。為了便于施加荷載,同時(shí)為了避免邊界效應(yīng)的影響,本橋局部模型截取部分結(jié)合段結(jié)構(gòu)。模型所取范圍:橋塔的計(jì)算高度取梁頂截面以上4.50 m,橋墩則取梁底以下2.50 m,橫橋向取主梁全寬;縱橋向以橋塔中心為對稱點(diǎn),沿兩側(cè)各取15.80 m,含4道小橫梁和一道塔下橫梁。鋼管和混凝土采用8節(jié)點(diǎn)三維等參單元solid45建立有限元模型,單元形狀以六面體為主,網(wǎng)格劃分采用掃掠劃分。模型中以Z軸為順橋向,Y軸為豎橋向,X軸為橫橋向?;炷翉椥阅A?.45×1011N/m2,泊松比為0.20,質(zhì)量密度為 2600 kg/m3,線膨脹系數(shù)為 1.00×10-5。鋼板彈性模量為2.06×1011N/m2,泊松比為0.30,質(zhì)量密度為7850 kg/m3,線膨脹系數(shù)為1.20×10-5.鋼絞線彈性模量取1.95×1011N/m2,公稱面積為139×10-6m2,線膨脹系數(shù)為1.20×10-5,標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1860 MPa。局部應(yīng)力按照彈性原則來計(jì)算,局部模型立面尺寸見圖3,圖中尺寸單位為:cm,有限元模型見圖4所示。
圖3 局部模型立面尺寸
圖4ANSYS局部有限元模型
邊界條件為墩底固結(jié),其他部分自由,荷載取在整體模型分析計(jì)算所得的截面內(nèi)力(計(jì)算工況取主梁截面負(fù)彎矩最大),見表1。
表1 整體分析的截面內(nèi)力
對各特征點(diǎn)應(yīng)力沿著橋跨方向的傳遞分布規(guī)律進(jìn)行分析,其中截面應(yīng)力特征點(diǎn)[8]選取見圖5。
由圖6截面法向應(yīng)力沿橋跨方向的變化曲線可知,截面頂板的法向應(yīng)力值大致在-3.24 MPa~0.38 MPa范圍,其中最大壓應(yīng)力為3.24 MPa,發(fā)生在沿橋跨方向距離橋塔中心向右15.8 m處的2號特征點(diǎn)位置處;最大拉應(yīng)力為0.38 MPa,發(fā)生在沿橋跨方向距離橋塔中心向右4.5 m處的1號特征點(diǎn)位置處。其他大部分區(qū)域的壓應(yīng)力變化趨勢都是從兩端向中間減小,拉應(yīng)力發(fā)生在橋塔中心附近區(qū)域。截面底板法向應(yīng)力值大致分布在-7.84 MPa~0.58 MPa區(qū)間,其最大壓應(yīng)力為7.84 MPa,發(fā)生在沿橋跨方向距離橋塔中心向右4.5 m處的4號特征點(diǎn)處,即塔墩梁固結(jié)處底部區(qū)域,最大拉應(yīng)力0.58 MPa發(fā)生在沿橋跨方向距離橋塔中心向右0.75 m處的9號特征點(diǎn)位置處。分析表明混凝土腹板受到了拉應(yīng)力作用,范圍為0.51 MPa~1.09 MPa,其中距離橋中心13.65 m處截面兩端受到的拉應(yīng)力較大一些?;炷翙M隔板受到了壓應(yīng)力的作用,其應(yīng)力范圍為2.10 MPa~1.17 MPa。由《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG 3362-2018)》C50混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為32.4 MPa,軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.65 MPa,比較大小,可知滿足要求。
圖5 箱梁截面應(yīng)力特征點(diǎn)
圖6 截面法向應(yīng)力沿橋跨方向的變化曲線
由圖7第一主應(yīng)力沿橋跨方向的變化曲線可知,頂板主拉應(yīng)力值大致分布在0.02 MPa~3.93 MPa,其中最大主拉應(yīng)力為3.93 MPa,發(fā)生在沿橋跨方向距離橋塔中心向右0.05 m處的1號特征點(diǎn)位置處(即塔墩梁固結(jié)雙肢塔柱中間的箱梁頂板凸起實(shí)體位置),此拉應(yīng)力超過了混凝土抗拉強(qiáng)度2.65 MPa。其他點(diǎn)位的主拉應(yīng)力值變化趨勢大致是1號位置>2號位置>5號位置>8號位置,即橫橋向截面位置頂板主拉應(yīng)力分布范圍從中間向兩端減小。而對于順橋向方向而言,較大主拉應(yīng)力發(fā)生在靠近橋塔中心處,而兩側(cè)較小。底板最大主拉應(yīng)力值為0.61 MPa,發(fā)生在沿橋跨方向距離橋塔中心向左0.75 m處的9號特征點(diǎn)處,其中橫橋向截面位置的底板主拉應(yīng)力值變化不大。腹板也受到了主拉應(yīng)力作用,其最大主拉應(yīng)力值為1.41 MPa,發(fā)生在沿橋跨方向距離橋塔中心向右9.5 m處。橫隔板受到了主拉應(yīng)力的作用,其最大主拉應(yīng)力值為2.18 MPa,發(fā)生在沿橋跨方向距離橋塔中心向右5 m處。基本滿足設(shè)計(jì)要求。
圖7 第一主應(yīng)力沿橋跨方向的變化曲線
由圖8第三主應(yīng)力沿橋跨方向的變化曲線可知,頂板最大主壓應(yīng)力值為15.77 MPa,發(fā)生在沿橋跨方向距離橋塔中心向右4.5 m處的1號特征點(diǎn)的塔墩梁固結(jié)處。其中較大主壓應(yīng)力分布在順橋向靠近橋塔中心處和兩端部。底板最大主壓應(yīng)力值為15.76 MPa,發(fā)生在沿橋跨方向距離橋塔中心向右4.5 m處的4號特征點(diǎn)處。腹板受到了的最大主壓應(yīng)力作值為1.32 MPa,發(fā)生在沿橋跨方向距離橋塔中心向右9.5 m處。橫隔板受到的最大主壓應(yīng)力值為3.59 MPa,發(fā)生在沿橋跨方向距離橋塔中心向右5 m處。由《JTG 3362-2018》橋規(guī)知混凝土的主壓應(yīng)力容許值為≦0.6fck=19.44 MPa,受壓區(qū)混凝土的最大壓應(yīng)力≤0.5fck=16.2 MPa。皆滿足規(guī)范要求。
由于斜拉橋塔柱軸向力通過主梁傳至橋墩這一傳力過程較復(fù)雜,需要通過結(jié)構(gòu)的局部精細(xì)化分析來確定其受力及分布情況,以指導(dǎo)局部構(gòu)造設(shè)計(jì)。分析結(jié)論如下:
圖8 第三主應(yīng)力沿橋跨方向的變化曲線
(1)通過分析在主梁截面最大負(fù)彎矩狀態(tài)下的墩頂部位的塔墩梁局部模型的應(yīng)力分布情況,表明塔墩梁結(jié)合段的構(gòu)造設(shè)計(jì)基本合理,整體區(qū)域以受壓為主,且壓應(yīng)力滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。
(2)塔墩梁固結(jié)段雙肢塔柱中間的箱梁頂板位置局部區(qū)域混凝土的主拉應(yīng)力超標(biāo),該區(qū)域?qū)儆跇蛄褐醒敕指魩е虚g的凸起實(shí)體部位且范圍很小,建議可在設(shè)計(jì)時(shí)增加鋼筋網(wǎng)片等構(gòu)造措施加以處理,同時(shí)加強(qiáng)該部位的混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。