槽型斷面梁斜拉橋塔梁墩固結區受力特性研究

戴公連　粟淼　劉文碩　閆斌

摘要：為增大橋梁縱向剛度、便于轉體施工，滬昆客運專線上某（32+80+112）m槽型截面獨塔斜拉橋將槽型梁兩邊箱插入塔柱中形成塔梁墩固結體系，其構造和受力情況極為復雜.為研究該橋塔梁墩固結區域的應力分布情況，采用大型通用有限元軟件ANSYS建立塔梁墩固結區局部模型并驗證模型正確性.在此基礎上，分析固結區域結構傳力路徑和應力分布規律，探討局部設計細節對固結區應力的影響.研究表明：塔梁墩固結區內整體應力水平低于固結區范圍以外截面，但在槽型梁過渡至固結區內部的交接角以及固結區內部過人洞折角等處存在應力集中現象.通過改進結構設計細節可有效緩解各處的應力集中現象.

關鍵詞：鐵路橋梁；斜拉橋；局部分析；子模型法；槽型梁

中圖分類號：U448.27；U448.13文獻標識碼：A

斜拉橋結構體系包括漂浮體系、半漂浮體系、塔梁固結體系（塔梁通過固定支座相連）和剛構體系（塔梁墩剛接）[1].在300 m以下跨度的軌道交通斜拉橋中，為提高橋梁縱向剛度，多采用塔梁固結或剛構體系，且主梁多為預應力混凝土結構.剛構體系的優點在于結構整體剛度較大，避免了在塔柱上設置大型支座，無需臨時支撐和體系轉換，尤其適合懸臂轉體施工.其缺點在于塔梁墩連接區域構造復雜，固結部位易出現較大應力，因此，對于采用塔梁墩固結的斜拉橋，除做整體計算外，還應考察局部節點的應力分布情況.

國內外學者對斜拉橋局部受力分析已經有了較為廣泛的研究，文獻[2-3]分別對大跨度鋼桁梁（箱）梁斜拉橋的索桁（梁）錨固結構進行了受力性能研究；文獻[4]對某公鐵兩用斜拉橋邊桁整體節點進行了數值分析和模型試驗；文獻[5-6]研究了斜拉橋塔梁固結處的應力分布；文獻[7]對斜拉橋橋塔鋼橫桁梁整體節點進行了試驗模型研究和有限元分析.但既有研究對象多為鋼桁（箱）梁和混凝土箱梁，而對于高速鐵路槽型截面斜拉橋上塔梁墩固結區而言，其應力分布情況尚不明確.

本文以滬昆客運專線某槽形截面塔梁墩固結斜拉橋為工程背景，建立局部空間實體單元模型，分析塔墩梁墩固結區受力特點、應力分布規律和傳力機理，并對構造細節進行比較研究.

1局部分析方法

結構局部受力分析方法主要包括子模型法和直接建模法[8].子模型法又稱切割邊界位移法，是在整體模型的基礎上切割邊界生成考慮了結構構造細節的子模型，將切割邊界上的位移值施加至子模型上，通過對子模型網格細分進行受力分析[9].子模型技術理論嚴謹，但要求整體模型必須是全橋實體單元或殼單元模型.直接建模法則根據局部結構建立實體單元模型，從整體計算模型中取出位移或內力結果施加至局部模型上，通過驗證局部模型與整體模型在相同位置處的計算結果保證局部模型的正確性.直接建模法的思想實質跟子模型是一致的，且由于其整體模型中能考慮施工過程、混凝土收縮徐變和預應力鋼筋等因素，在工程實踐中應用較多，本文即采用該方法.

2工程背景

3空間有限元模型

整體有限元模型見圖3，主梁和塔柱采用空間梁單元模擬，拉索采用桿單元模擬，為正確模擬拉索的空間位置，主梁和塔柱拉索錨固位置建立剛臂形成魚刺梁模型.

在隔離體范圍內建立局部模型時須保證邊界截面遠離應力分析區域，對矩形梁而言，通常認為影響范圍為一個梁高[12].本文局部模型橫橋向取橋梁全寬，豎橋向沿主梁底板上下側分別長為11 m和7.641 m，順橋向沿橋塔中心線小跨側長9.5 m，大跨側長11.6 m.塔柱為矩形空心截面，單根塔柱順橋向寬6 m，橫橋向寬3 m；槽型梁寬10.8 m，梁高不超過3.7 m，隔離體范圍均大于兩倍梁高.力的邊界條件以剛域形式施加（在邊界截面的質心處建立主節點，截面其余節點與主節點之間形成剛域，荷載施加至主節點上）而非集中力，可消除邊界處荷載分布不均勻的影響.

6結論

將斜拉橋槽型梁兩側邊箱插入塔柱中形成塔梁墩剛接體系，可壓縮結構尺寸，減小轉體重量.在設計荷載作用下，該橋塔梁墩固結區其整體應力水平滿足規范要求，并且應力水平相對于固結區范圍以外截面較低，其結構設計合理.

固結區中心截面腹板和底板應力的分析結果表

明，槽型截面的存在使得固結區沿橫橋向存在一定水平拉應力，建議在設計時應加強橫向普通鋼筋配置.

對槽型斷面塔梁剛接的斜拉橋而言，槽型梁底板上緣與塔柱交接角處，以及內部縱向過人洞與豎向過人洞交接角處存在較大的應力集中現象.

在響應位置加設圓弧倒角，可使結構形狀過渡平緩，能較大幅度地減小應力集中程度.建議工程設計及施工時應避免在塔梁墩固結區結構出現尖角和折角，可通過加設倒角等措施使結構過渡平緩.

參考文獻

[1]林元培. 斜拉橋 [M]. 北京：人民交通出版社， 2004： 32-33.

[2]付嵐嵐， 肖海珠. 斜拉橋鋼桁梁索桁錨固結構設計受力分析 [J]. 橋梁建設， 2013， 43（2）： 87-92.

[3]張清華，李喬. 超大跨度鋼箱梁斜拉橋索梁錨固結構試驗研究[J]. 土木工程學報，2011，44（7）：71-80.

[4]衛星.鄭州黃河公鐵兩用斜拉橋斜桁節點受力性能研究[J].鐵道學報，2011，33（9）：90-93.

[5]吳美艷，楊光武，鄭舟軍.馬鞍山長江公路大橋塔梁固結處模型試驗研究[J].橋梁建設，2011，41（3）：13-16.

[6]虞廬松， 朱東生. 部分斜拉橋塔梁墩固結點局部應力分析 [J]. 橋梁建設， 2008， 38（1）： 54-57.

[7]XUE Dongyan， LIU Yuqing， HE Jun， et al. Experimental study and numerical analysis of a composite truss joint [J]. Journal of Constructional Steel Research， 2011， 67（6）： 957-964.

[8]錢竹. 三主桁連續鋼桁拱橋整體節點應力分布規律與構造研究 [D]. 長沙：中南大學土木工程學院， 2009：5-7.

[9]陳啟飛，李愛群，趙大亮，等.預應力混凝土斜拉橋主梁局部應力子模型分析及實驗[J].東南大學學報：自然科學版.2007， 37（2）： 287-290.

[10]閆斌， 戴公連. 高速鐵路斜拉橋上無縫線路縱向力研究[J].鐵道學報， 2012，34（3）：83-87.

[11]戴公連， 粟淼. 高速鐵路獨塔斜拉橋塔梁墩固結區局部應力研究報告 [R]. 長沙： 中南大學土木工程學院， 2012.

[12]曾寧燁. 大跨度軌道交通斜拉橋塔梁墩固結段局部應力分析 [D]. 成都： 西南交通大學， 2012.

[13]肖挺松. ANSYS三維模型中SOLID65單元的內力提取問題 [J]. 華東交通大學學報， 2012， （03）：74-79.

[14]徐偉，李智，張肖寧.子模型法在大跨徑斜拉橋橋面結構分析中的應用[J]. 土木工程學報，2004，37（6）：30-34.

摘要：為增大橋梁縱向剛度、便于轉體施工，滬昆客運專線上某（32+80+112）m槽型截面獨塔斜拉橋將槽型梁兩邊箱插入塔柱中形成塔梁墩固結體系，其構造和受力情況極為復雜.為研究該橋塔梁墩固結區域的應力分布情況，采用大型通用有限元軟件ANSYS建立塔梁墩固結區局部模型并驗證模型正確性.在此基礎上，分析固結區域結構傳力路徑和應力分布規律，探討局部設計細節對固結區應力的影響.研究表明：塔梁墩固結區內整體應力水平低于固結區范圍以外截面，但在槽型梁過渡至固結區內部的交接角以及固結區內部過人洞折角等處存在應力集中現象.通過改進結構設計細節可有效緩解各處的應力集中現象.

關鍵詞：鐵路橋梁；斜拉橋；局部分析；子模型法；槽型梁

中圖分類號：U448.27；U448.13文獻標識碼：A

斜拉橋結構體系包括漂浮體系、半漂浮體系、塔梁固結體系（塔梁通過固定支座相連）和剛構體系（塔梁墩剛接）[1].在300 m以下跨度的軌道交通斜拉橋中，為提高橋梁縱向剛度，多采用塔梁固結或剛構體系，且主梁多為預應力混凝土結構.剛構體系的優點在于結構整體剛度較大，避免了在塔柱上設置大型支座，無需臨時支撐和體系轉換，尤其適合懸臂轉體施工.其缺點在于塔梁墩連接區域構造復雜，固結部位易出現較大應力，因此，對于采用塔梁墩固結的斜拉橋，除做整體計算外，還應考察局部節點的應力分布情況.

國內外學者對斜拉橋局部受力分析已經有了較為廣泛的研究，文獻[2-3]分別對大跨度鋼桁梁（箱）梁斜拉橋的索桁（梁）錨固結構進行了受力性能研究；文獻[4]對某公鐵兩用斜拉橋邊桁整體節點進行了數值分析和模型試驗；文獻[5-6]研究了斜拉橋塔梁固結處的應力分布；文獻[7]對斜拉橋橋塔鋼橫桁梁整體節點進行了試驗模型研究和有限元分析.但既有研究對象多為鋼桁（箱）梁和混凝土箱梁，而對于高速鐵路槽型截面斜拉橋上塔梁墩固結區而言，其應力分布情況尚不明確.

本文以滬昆客運專線某槽形截面塔梁墩固結斜拉橋為工程背景，建立局部空間實體單元模型，分析塔墩梁墩固結區受力特點、應力分布規律和傳力機理，并對構造細節進行比較研究.

1局部分析方法

結構局部受力分析方法主要包括子模型法和直接建模法[8].子模型法又稱切割邊界位移法，是在整體模型的基礎上切割邊界生成考慮了結構構造細節的子模型，將切割邊界上的位移值施加至子模型上，通過對子模型網格細分進行受力分析[9].子模型技術理論嚴謹，但要求整體模型必須是全橋實體單元或殼單元模型.直接建模法則根據局部結構建立實體單元模型，從整體計算模型中取出位移或內力結果施加至局部模型上，通過驗證局部模型與整體模型在相同位置處的計算結果保證局部模型的正確性.直接建模法的思想實質跟子模型是一致的，且由于其整體模型中能考慮施工過程、混凝土收縮徐變和預應力鋼筋等因素，在工程實踐中應用較多，本文即采用該方法.

2工程背景

3空間有限元模型

整體有限元模型見圖3，主梁和塔柱采用空間梁單元模擬，拉索采用桿單元模擬，為正確模擬拉索的空間位置，主梁和塔柱拉索錨固位置建立剛臂形成魚刺梁模型.

在隔離體范圍內建立局部模型時須保證邊界截面遠離應力分析區域，對矩形梁而言，通常認為影響范圍為一個梁高[12].本文局部模型橫橋向取橋梁全寬，豎橋向沿主梁底板上下側分別長為11 m和7.641 m，順橋向沿橋塔中心線小跨側長9.5 m，大跨側長11.6 m.塔柱為矩形空心截面，單根塔柱順橋向寬6 m，橫橋向寬3 m；槽型梁寬10.8 m，梁高不超過3.7 m，隔離體范圍均大于兩倍梁高.力的邊界條件以剛域形式施加（在邊界截面的質心處建立主節點，截面其余節點與主節點之間形成剛域，荷載施加至主節點上）而非集中力，可消除邊界處荷載分布不均勻的影響.

6結論

將斜拉橋槽型梁兩側邊箱插入塔柱中形成塔梁墩剛接體系，可壓縮結構尺寸，減小轉體重量.在設計荷載作用下，該橋塔梁墩固結區其整體應力水平滿足規范要求，并且應力水平相對于固結區范圍以外截面較低，其結構設計合理.

固結區中心截面腹板和底板應力的分析結果表

明，槽型截面的存在使得固結區沿橫橋向存在一定水平拉應力，建議在設計時應加強橫向普通鋼筋配置.

對槽型斷面塔梁剛接的斜拉橋而言，槽型梁底板上緣與塔柱交接角處，以及內部縱向過人洞與豎向過人洞交接角處存在較大的應力集中現象.

在響應位置加設圓弧倒角，可使結構形狀過渡平緩，能較大幅度地減小應力集中程度.建議工程設計及施工時應避免在塔梁墩固結區結構出現尖角和折角，可通過加設倒角等措施使結構過渡平緩.

參考文獻

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[2]付嵐嵐， 肖海珠. 斜拉橋鋼桁梁索桁錨固結構設計受力分析 [J]. 橋梁建設， 2013， 43（2）： 87-92.

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[5]吳美艷，楊光武，鄭舟軍.馬鞍山長江公路大橋塔梁固結處模型試驗研究[J].橋梁建設，2011，41（3）：13-16.

[6]虞廬松， 朱東生. 部分斜拉橋塔梁墩固結點局部應力分析 [J]. 橋梁建設， 2008， 38（1）： 54-57.

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[8]錢竹. 三主桁連續鋼桁拱橋整體節點應力分布規律與構造研究 [D]. 長沙：中南大學土木工程學院， 2009：5-7.

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[10]閆斌， 戴公連. 高速鐵路斜拉橋上無縫線路縱向力研究[J].鐵道學報， 2012，34（3）：83-87.

[11]戴公連， 粟淼. 高速鐵路獨塔斜拉橋塔梁墩固結區局部應力研究報告 [R]. 長沙： 中南大學土木工程學院， 2012.

[12]曾寧燁. 大跨度軌道交通斜拉橋塔梁墩固結段局部應力分析 [D]. 成都： 西南交通大學， 2012.

[13]肖挺松. ANSYS三維模型中SOLID65單元的內力提取問題 [J]. 華東交通大學學報， 2012， （03）：74-79.

[14]徐偉，李智，張肖寧.子模型法在大跨徑斜拉橋橋面結構分析中的應用[J]. 土木工程學報，2004，37（6）：30-34.

摘要：為增大橋梁縱向剛度、便于轉體施工，滬昆客運專線上某（32+80+112）m槽型截面獨塔斜拉橋將槽型梁兩邊箱插入塔柱中形成塔梁墩固結體系，其構造和受力情況極為復雜.為研究該橋塔梁墩固結區域的應力分布情況，采用大型通用有限元軟件ANSYS建立塔梁墩固結區局部模型并驗證模型正確性.在此基礎上，分析固結區域結構傳力路徑和應力分布規律，探討局部設計細節對固結區應力的影響.研究表明：塔梁墩固結區內整體應力水平低于固結區范圍以外截面，但在槽型梁過渡至固結區內部的交接角以及固結區內部過人洞折角等處存在應力集中現象.通過改進結構設計細節可有效緩解各處的應力集中現象.

關鍵詞：鐵路橋梁；斜拉橋；局部分析；子模型法；槽型梁

中圖分類號：U448.27；U448.13文獻標識碼：A

斜拉橋結構體系包括漂浮體系、半漂浮體系、塔梁固結體系（塔梁通過固定支座相連）和剛構體系（塔梁墩剛接）[1].在300 m以下跨度的軌道交通斜拉橋中，為提高橋梁縱向剛度，多采用塔梁固結或剛構體系，且主梁多為預應力混凝土結構.剛構體系的優點在于結構整體剛度較大，避免了在塔柱上設置大型支座，無需臨時支撐和體系轉換，尤其適合懸臂轉體施工.其缺點在于塔梁墩連接區域構造復雜，固結部位易出現較大應力，因此，對于采用塔梁墩固結的斜拉橋，除做整體計算外，還應考察局部節點的應力分布情況.

國內外學者對斜拉橋局部受力分析已經有了較為廣泛的研究，文獻[2-3]分別對大跨度鋼桁梁（箱）梁斜拉橋的索桁（梁）錨固結構進行了受力性能研究；文獻[4]對某公鐵兩用斜拉橋邊桁整體節點進行了數值分析和模型試驗；文獻[5-6]研究了斜拉橋塔梁固結處的應力分布；文獻[7]對斜拉橋橋塔鋼橫桁梁整體節點進行了試驗模型研究和有限元分析.但既有研究對象多為鋼桁（箱）梁和混凝土箱梁，而對于高速鐵路槽型截面斜拉橋上塔梁墩固結區而言，其應力分布情況尚不明確.

本文以滬昆客運專線某槽形截面塔梁墩固結斜拉橋為工程背景，建立局部空間實體單元模型，分析塔墩梁墩固結區受力特點、應力分布規律和傳力機理，并對構造細節進行比較研究.

1局部分析方法

結構局部受力分析方法主要包括子模型法和直接建模法[8].子模型法又稱切割邊界位移法，是在整體模型的基礎上切割邊界生成考慮了結構構造細節的子模型，將切割邊界上的位移值施加至子模型上，通過對子模型網格細分進行受力分析[9].子模型技術理論嚴謹，但要求整體模型必須是全橋實體單元或殼單元模型.直接建模法則根據局部結構建立實體單元模型，從整體計算模型中取出位移或內力結果施加至局部模型上，通過驗證局部模型與整體模型在相同位置處的計算結果保證局部模型的正確性.直接建模法的思想實質跟子模型是一致的，且由于其整體模型中能考慮施工過程、混凝土收縮徐變和預應力鋼筋等因素，在工程實踐中應用較多，本文即采用該方法.

2工程背景

3空間有限元模型

整體有限元模型見圖3，主梁和塔柱采用空間梁單元模擬，拉索采用桿單元模擬，為正確模擬拉索的空間位置，主梁和塔柱拉索錨固位置建立剛臂形成魚刺梁模型.

在隔離體范圍內建立局部模型時須保證邊界截面遠離應力分析區域，對矩形梁而言，通常認為影響范圍為一個梁高[12].本文局部模型橫橋向取橋梁全寬，豎橋向沿主梁底板上下側分別長為11 m和7.641 m，順橋向沿橋塔中心線小跨側長9.5 m，大跨側長11.6 m.塔柱為矩形空心截面，單根塔柱順橋向寬6 m，橫橋向寬3 m；槽型梁寬10.8 m，梁高不超過3.7 m，隔離體范圍均大于兩倍梁高.力的邊界條件以剛域形式施加（在邊界截面的質心處建立主節點，截面其余節點與主節點之間形成剛域，荷載施加至主節點上）而非集中力，可消除邊界處荷載分布不均勻的影響.

6結論

將斜拉橋槽型梁兩側邊箱插入塔柱中形成塔梁墩剛接體系，可壓縮結構尺寸，減小轉體重量.在設計荷載作用下，該橋塔梁墩固結區其整體應力水平滿足規范要求，并且應力水平相對于固結區范圍以外截面較低，其結構設計合理.

固結區中心截面腹板和底板應力的分析結果表

明，槽型截面的存在使得固結區沿橫橋向存在一定水平拉應力，建議在設計時應加強橫向普通鋼筋配置.

對槽型斷面塔梁剛接的斜拉橋而言，槽型梁底板上緣與塔柱交接角處，以及內部縱向過人洞與豎向過人洞交接角處存在較大的應力集中現象.

在響應位置加設圓弧倒角，可使結構形狀過渡平緩，能較大幅度地減小應力集中程度.建議工程設計及施工時應避免在塔梁墩固結區結構出現尖角和折角，可通過加設倒角等措施使結構過渡平緩.

參考文獻

[1]林元培. 斜拉橋 [M]. 北京：人民交通出版社， 2004： 32-33.

[2]付嵐嵐， 肖海珠. 斜拉橋鋼桁梁索桁錨固結構設計受力分析 [J]. 橋梁建設， 2013， 43（2）： 87-92.

[3]張清華，李喬. 超大跨度鋼箱梁斜拉橋索梁錨固結構試驗研究[J]. 土木工程學報，2011，44（7）：71-80.

[4]衛星.鄭州黃河公鐵兩用斜拉橋斜桁節點受力性能研究[J].鐵道學報，2011，33（9）：90-93.

[5]吳美艷，楊光武，鄭舟軍.馬鞍山長江公路大橋塔梁固結處模型試驗研究[J].橋梁建設，2011，41（3）：13-16.

[6]虞廬松， 朱東生. 部分斜拉橋塔梁墩固結點局部應力分析 [J]. 橋梁建設， 2008， 38（1）： 54-57.

[7]XUE Dongyan， LIU Yuqing， HE Jun， et al. Experimental study and numerical analysis of a composite truss joint [J]. Journal of Constructional Steel Research， 2011， 67（6）： 957-964.

[8]錢竹. 三主桁連續鋼桁拱橋整體節點應力分布規律與構造研究 [D]. 長沙：中南大學土木工程學院， 2009：5-7.

[9]陳啟飛，李愛群，趙大亮，等.預應力混凝土斜拉橋主梁局部應力子模型分析及實驗[J].東南大學學報：自然科學版.2007， 37（2）： 287-290.

[10]閆斌， 戴公連. 高速鐵路斜拉橋上無縫線路縱向力研究[J].鐵道學報， 2012，34（3）：83-87.

[11]戴公連， 粟淼. 高速鐵路獨塔斜拉橋塔梁墩固結區局部應力研究報告 [R]. 長沙： 中南大學土木工程學院， 2012.

[12]曾寧燁. 大跨度軌道交通斜拉橋塔梁墩固結段局部應力分析 [D]. 成都： 西南交通大學， 2012.

[13]肖挺松. ANSYS三維模型中SOLID65單元的內力提取問題 [J]. 華東交通大學學報， 2012， （03）：74-79.

[14]徐偉，李智，張肖寧.子模型法在大跨徑斜拉橋橋面結構分析中的應用[J]. 土木工程學報，2004，37（6）：30-34.