超寬幅單索面斜拉橋橋墩受力仿真分析

（廣東省長(zhǎng)大公路工程有限公司，廣東 廣州 510000）

一、工程背景

廣東省清遠(yuǎn)市北江四橋是一座主跨418m的雙塔單索面混合梁斜拉橋，采用塔梁固結(jié)、塔墩分離的連續(xù)梁受力體系。主塔中心軸線順橋向兩側(cè)共22.1m范圍采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，其余部分為鋼箱梁，鋼箱梁與混凝土梁段采用鋼-混結(jié)合段連接。橋塔采用“水滴流線型”橋塔，兩橋塔沿跨中軸線反對(duì)稱布置，橋面以上主塔全高63m，橋塔為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。為配合塔柱造型，該橋主墩在縱橫橋向均采用特殊的漸變?cè)煨停v橋向呈“U”字形，橫橋向呈“Y”字形。主墩斷面為箱形結(jié)構(gòu)，單肢截面尺寸為：10m（橫向）×4m（縱向），箱壁厚均為0.9m。該橋每個(gè)索塔0#塊位置8個(gè)支座在縱橫向受力不均。在活載偏載與橫風(fēng)組合工況，橫向各支座反力差異較大；在中跨活載滿載與溫度升降組合工況，縱橋向塔底兩排支座反力同樣也會(huì)相差較大。支座在縱橫向受力不均對(duì)采用特殊漸變?cè)煨偷臉蚨占跋虏拷Y(jié)構(gòu)的受力影響尤其大，因此對(duì)橋墩在偏載作用下的受力性能進(jìn)行分析研究就顯得尤其重要。

二、有限元模型

該橋主墩局部計(jì)算采用ANSYS14.5建立有限元模型，模型中共有2396640個(gè)節(jié)點(diǎn)、2265754個(gè)單元。需要說明的是：模型中，X軸為縱橋向（X正向指向中跨側(cè)），Y軸為豎向（向上為正），Z軸為橫橋向（2、4號(hào)支座側(cè)為正向）；應(yīng)力結(jié)果中均不考慮由于預(yù)應(yīng)力鋼束節(jié)點(diǎn)與混凝土節(jié)點(diǎn)耦合引起的應(yīng)力集中以及倒角處的應(yīng)力集中；結(jié)果應(yīng)力云圖中，橋墩下部約為0m～5m的范圍，橋墩中部約為5m～10m范圍（距離計(jì)算以橋墩底部為0m，向上為正）。

三、受力分析

（一）主要計(jì)算參數(shù)

分別取工況一：中跨活載滿布（汽車荷載+人群荷載，下同）和工況二：1、3、5、7號(hào)支座側(cè)主梁活載全橋滿布（支座編號(hào)如圖1所示）兩種荷載工況下主墩支座反力加載到橋墩上進(jìn)行橋墩受力分析。其中，工況一的支座反力由Midas Civil整體模型中加載計(jì)算得到，工況二的支座反力由ANSYS塔梁固結(jié)局部有限元模型計(jì)算得到。兩種工況下8個(gè)支座的支反力數(shù)值如表1（工況一只考慮縱向偏載的影響，故計(jì)算中沒有計(jì)入橫風(fēng)荷載；工況二為考慮橫向偏載的影響，計(jì)入橫風(fēng)對(duì)支座反力的影響）所示。

圖1 主墩支座編號(hào)示意圖

表1 主墩支座反力表（kN）

（二）計(jì)算結(jié)果

根據(jù)橋墩整體和各部分的受力情況建立有限元模型，計(jì)算出結(jié)果，將各部分應(yīng)力結(jié)果總結(jié)于表2，由于不考慮局部地方由于應(yīng)力集中導(dǎo)致應(yīng)力超限的影響，結(jié)果中僅給出各部分應(yīng)力分布平均值。

分析橋墩整體和各部分的受力情況有限元模型及表2可知：主墩基本處于受壓工況一平均壓應(yīng)力約為7.50MPa，工況二約為6.8MPa；由于中跨偏載（橫向偏載）導(dǎo)致主墩兩個(gè)支腿受力(橫向受力)有差別，中跨側(cè)支腿的平均主壓應(yīng)力約為8.67MPa，邊跨側(cè)支腿約為6.32MPa，偏載側(cè)的約為8.3MPa，未加載側(cè)的約為5.3MPa。

主墩中下部受力較明確，基本處于受壓狀態(tài)，且豎向應(yīng)力和主壓應(yīng)力均為中跨側(cè)支腿（偏載側(cè)）大于邊跨側(cè)（未加載側(cè)），其余方向應(yīng)力基本相同，其中，中跨側(cè)支腿最大主壓應(yīng)力約為8.67MPa，邊跨側(cè)約為6.32MPa，偏載側(cè)約為8.15MPa，未加載側(cè)約為6.61MPa。

主墩?qǐng)A弧過渡段受力比較復(fù)雜，主壓應(yīng)力比其他地方小，約為0.75MPa～3.5MPa，在局部區(qū)域出現(xiàn)了約2.0MPa的拉應(yīng)力，圓弧過渡段中間在橫向（SZ）受力狀況中，局部地方出現(xiàn)了約2.0MPa～4.0MPa的拉應(yīng)力。

主墩系梁段僅在主壓應(yīng)力情況下全部處于受壓狀態(tài)，其余情況下均有部分區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力。系梁基本處于受壓狀態(tài)，工況一最大壓應(yīng)力約為9.0MPa，工況二約8.3MPa。

工況一情況下，由于中跨偏載引起中跨側(cè)橋墩支腿豎向最大位移為5.3mm（向下），邊跨側(cè)橋墩支腿豎向最大位移約為2.9mm（向下），兩側(cè)位移差約為2.4mm。

工況二情況下，由于橫向偏載引起偏載側(cè)（Z軸負(fù)向）橋墩豎向最大位移為3.9mm（向下），另一側(cè)（Z軸正向）豎向最大位移約為1.0mm（向下），兩側(cè)位移差約為2.9mm。

四、結(jié)語

主墩基本處于受壓狀態(tài)；主墩?qǐng)A弧過渡段兩側(cè)受力比較復(fù)雜，主壓應(yīng)力比其他地方小，在局部區(qū)域出現(xiàn)了拉應(yīng)力；主墩系梁段為整個(gè)結(jié)構(gòu)受力最復(fù)雜的區(qū)域，系梁基本處于受壓狀態(tài)，工況一最大壓應(yīng)力約為9.0MPa，工況二約8.3MPa。總體上縱向偏載（中跨活載滿布及主梁中心線一側(cè)活載滿布）對(duì)主墩兩個(gè)支腿的受力影響不大，因其導(dǎo)致的工況最大主壓應(yīng)力差別僅2.35MPa，工況二為3.0MPa，其余方向應(yīng)力基本上沒有差別，主墩滿足受力要求。

主墩?qǐng)A弧過渡段在以上工況均出現(xiàn)約2.0MPa拉應(yīng)力。若有必要，在考慮橋墩受力的情況下可考慮適當(dāng)調(diào)整主墩橫向外側(cè)圓弧段線形。最終設(shè)計(jì)按結(jié)構(gòu)分析結(jié)果進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，結(jié)構(gòu)受力滿足要求。

表2 工況一、工況二橋墩應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（MPa）