雙主梁寬幅矮塔斜拉橋受力特性淺析

曹新壘， 郝 翠

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

矮塔斜拉橋兼有連續(xù)梁橋和斜拉橋兩種橋型的特性，其主梁剛度較大，在軸向壓力作用的同時(shí)還承載部分彎矩和剪力[1,2]，隨著縱向跨徑和主梁橫向?qū)挾鹊脑龃?，空間應(yīng)力分布不均勻，主梁受力較為復(fù)雜[3,4]。

本文以在建的某矮塔斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用MIDAS計(jì)算軟件建立全橋桿系有限元模型，對主梁進(jìn)行整體受力分析；再通過建立主梁拉索梁段有限元模型，分析在索力作用下寬幅雙主梁的受力特點(diǎn)，驗(yàn)證橋梁設(shè)計(jì)方案的合理性。

1 工程概況

在建的某矮塔斜拉橋橋梁總長610.0 m，跨河主橋采用(100+170+100) m預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，引橋采用8×30 m現(xiàn)澆大箱梁，橋臺(tái)采用樁接蓋梁式橋臺(tái)。主跨170 m跨越通航水域，主梁采用寬幅混凝土雙主梁，橫橋向?qū)挾葹?1.0 m，其中單箱室寬度為8.5 m，懸臂寬度為5.5 m，雙主梁之間橫梁寬度為13.0 m。

(1)道路等級(jí)：城市主干路。

(2)設(shè)計(jì)車速：60 km/h。

(3) 主橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面：3.0(人行道)+3.0(非機(jī)動(dòng)車道)+2.5(分隔帶)+11.5(機(jī)動(dòng)車道)+1.0(中分帶)+11.5(機(jī)動(dòng)車道)+2.5(分隔帶)+3.0(非機(jī)動(dòng)車道)+3.0(人行道)=41.0 m。主橋斷面如圖1所示。

圖1 主橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(單位:cm)

2 整體計(jì)算分析

2.1 全橋計(jì)算模型

根據(jù)矮塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立全橋空間桿系模型，計(jì)算結(jié)構(gòu)在運(yùn)營階段最不利組合下內(nèi)力、應(yīng)力、位移等，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。

全橋整體靜力分析計(jì)算采用有限元軟件MIDAS Civil 2019。主梁及橋塔模擬為梁單元，拉索采用只受拉桁架單元。承臺(tái)底部采用固結(jié)，塔梁采用剛臂固結(jié)。有限元結(jié)構(gòu)離散模型如圖2所示。

圖2 整體靜力分析模型圖

2.2 設(shè)計(jì)荷載取值

(1)恒載。一期恒載包括主梁、主塔、拉索等結(jié)構(gòu)材料自重，均按實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸和數(shù)量取值。二期恒載包括護(hù)欄、橋面鋪裝和管線等附屬設(shè)施自重，按照均布力荷載施加于主梁上，荷載取值為218 kN/m。

(2)活載。城市-A級(jí)，按雙向6車道計(jì)算；人群荷載及非機(jī)動(dòng)車道荷載按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》執(zhí)行；汽車制動(dòng)力按6車道計(jì)算。

(3)溫度荷載。結(jié)合規(guī)范計(jì)算體系整體溫度荷載為整體升溫25℃，整體降溫20℃，混凝土主梁上下緣溫差采用非線性梯度溫度14℃、5.5℃、0℃，按照規(guī)范對以上正溫差取0.5倍以后計(jì)入負(fù)溫差效應(yīng)。斜拉索與橋塔、主梁之間溫差采用±10℃，索塔左右側(cè)溫差采用±5℃。

(4)基礎(chǔ)變位：過渡墩及輔助墩基礎(chǔ)沉降0.01 m，主墩基礎(chǔ)沉降0.02 m。

2.3 主梁計(jì)算結(jié)論

(1)主梁抗彎承載力。主梁抗彎承載力包絡(luò)圖如圖3所示。

圖3 主梁抗彎承載力包絡(luò)圖 (單位: kN)

由圖3可見，預(yù)應(yīng)力混凝土主梁抗彎承載能力滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)主梁抗剪承載力。主梁抗剪承載力包絡(luò)圖如圖4所示。

圖4 主梁抗剪承載力包絡(luò)圖 (單位: kN)

由圖4可見，預(yù)應(yīng)力混凝土主梁抗剪承載力滿足規(guī)范要求。

3 主梁橫向空間計(jì)算分析

3.1 有限元分析模型

在索力作用下寬幅雙主梁橫向結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，特建立局部MIDAS FEA有限元模型，建立了節(jié)段主梁的局部分析模型(如圖5、圖6所示)。箱梁采用實(shí)體單元模擬，預(yù)應(yīng)力采用鋼筋梁單元模擬。

圖5 節(jié)段主梁的幾何模型

圖6 節(jié)段主梁的有限元模型

3.2 邊界條件及加載荷載

對橋梁梁段進(jìn)行局部應(yīng)力分析時(shí)，運(yùn)用圣維南原理，采用空間桿系結(jié)構(gòu)分析和三維實(shí)體結(jié)構(gòu)分析相結(jié)合的方法，即把用梁單元進(jìn)行整體計(jì)算所得內(nèi)力和位移作為局部剖面的外力和位移邊界條件的方法，解決求解橋梁局部應(yīng)力和變形狀況問題。根據(jù)圣維南原理，這種處理方式對于距離該力系作用足夠遠(yuǎn)處的受力狀態(tài)將不會(huì)產(chǎn)生較大影響。梁端位置受到邊界條件的影響，結(jié)果失真，因此截取不受邊界影響部分對受力結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7～圖12所示。

圖7 橫梁橫橋向應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖8 橫梁縱橋向應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖9 橫梁第一主應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖10 橫梁第三主應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖11 橫梁位置剖面橫橋向應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖12 橫梁位置剖面縱橋向應(yīng)力云圖(單位：MPa)

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算結(jié)果表明，橫橋向最大拉應(yīng)力為2.03 MPa，在箱室人孔角點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，拉索齒塊區(qū)域應(yīng)力水平較高；豎向最大拉應(yīng)力為2.62 MPa，出現(xiàn)在箱梁人孔拐角處，箱室內(nèi)隔板位置倒角應(yīng)力數(shù)值也較大；在應(yīng)力較高區(qū)域應(yīng)保證剛度過度平順，考慮增設(shè)鋼筋配置。

4 結(jié)束語

本文介紹了在建的某矮塔斜拉橋的工程概況，通過建立全橋桿系模型，對全橋在成橋階段結(jié)構(gòu)內(nèi)力和應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，驗(yàn)證了方案的合理性。同時(shí)，建立了拉索區(qū)梁段的有限元模型，進(jìn)行空間有限元分析，分析在索力作用下寬幅雙主梁的受力特點(diǎn)，主梁在倒角、人孔、齒塊等區(qū)域出現(xiàn)了局部的應(yīng)力集中，應(yīng)通過細(xì)化構(gòu)造或通過考慮增設(shè)鋼筋配置可以緩解應(yīng)力集中影響。