鐵路矮塔斜拉橋塔墩梁固結段應力分析

張慎清

（常州市鐵路建設處 常州 213000）

矮塔斜拉橋又稱部分斜拉橋，是一種新興的橋型結構。由于其優越的結構性能，良好的經濟指標，越來越顯示出巨大的發展潛力。近年來，由于鐵路的大規模發展，也出現了一批造型新穎的鐵路矮塔斜拉橋［1－4］。

本文選取主跨為144 m＋288 m＋144 m的鐵路混凝土矮塔斜拉橋為工程背景。主橋共分145個梁段，根據梁段所處位置，邊跨依次編號B1～B36，中跨A1～A37，其中0號梁段長19 m，邊跨合龍段B35號梁段2.0 m，中跨合龍段A37號梁段長3.0 m，其他懸臂梁段長分2.5，3.0，3.5，4.0 m 4種。

截面采用單箱雙室截面，直腹板，斜拉索錨固于懸臂板。索塔采用門式橋塔，橋面以上塔高40.0 m，橋面以上塔的高跨比為1／7.2。為適應分絲管索鞍，塔柱采用矩形實體截面，順橋向寬5.6 m，橫橋向寬2.8 m。見圖1。

圖1 總體立面布置示意圖（單位：m）

1 整體計算

采用MIDAS／CIvIl對烏龍江特大橋進行整體分析，以便確定局部分析時模型的荷載邊界條件。整體分析模型采用空間桿系結構體系，主梁、墩塔均采用梁單元建立，斜拉索則采用桿單元建立。墩底承臺與地面固結。整體分析模型采用梁單元362個，節點373個。其整體模型見圖2。

圖2 MIDAS整體模型

利用MIDAS的移動荷載追蹤功能，求出主力工況及主力＋附加力工況下2個主梁截面出現最大（最小）軸力和彎矩時的荷載組合。通過綜合比較，選擇出4種較為不利的荷載組合用于局部應力分析，分別為：主力作用下主梁最大軸力工況；主力作用下主梁最大彎矩工況；主＋附作用下主梁最大軸力工況；主＋附作用下主梁最大彎矩工況，見表1。

表1 各工況下實體模型外力

2 實體模型的建立

塔、梁、墩固結處結構形式復雜，又有大量預應力筋從這個部位穿過，采用一般有限元分析方法難以精確地模擬此處的應力分布情況。因此，采用實體單元建立塔梁墩固結段局部結構的有限元模型，對其進行細部分析以獲取其受力狀態與力學行為，為該橋的細部設計提供依據。

塔梁墩固結段有限元模型由2個部分組成，即混凝土模型以及預應力索模型，通過節點耦合法將混凝土模型以及預應力索模型連接。混凝土模型整體采用Solid45單元劃分六面體單元，局部運用Solid95單元劃分四面體單元；預應力索模型采用Link8單元劃分網格，所建立的固結段及預應力模型見圖3、圖4。

圖3 塔梁墩固結段整體模型

圖4 縱向預應力索有限元模型

3 應力計算結果與分析

利用有限元分析軟件ANSYS對所建立的模型進行分析，主力工況下固結段的應力分布見圖5～8。

由圖5、圖6可見，塔梁墩固結段的縱向應力水平較低。上塔肢外緣與主梁0號塊交界處存在較為明顯的應力集中現象，而上塔肢內緣與主梁0號塊交界處由于設置圓弧倒角進行過渡，應力集中的水平顯著緩解。除此之外，絕大部分結構混凝土的縱向應力介于－20.9～0 MPa之間，最大縱向壓應力出現在0號塊上翼緣。同時，由于橫向預應力束的作用，塔梁墩固結段橫向整體受壓，扣除塔與主梁連接處應力集中點的影響，橫向壓應力水平未超過8.0 MPa，最大值出現在0號塊上翼緣。

圖5 主力縱向應力云圖（單位：MPa）

圖6 主力橫向應力云圖（單位：MPa）

由于塔柱內傾，索力作用下橋塔承受面外彎矩，導致塔柱內側受壓、外側受拉，塔梁墩固結段中塔柱的下延部分出現一定程度的主拉應力，其值不超過0.825 MPa，見圖7、圖8。

圖7 主力第一主應力云圖（單位：MPa）

圖8 主力第三主應力云圖（單位：MPa）

主＋附加力應力分布見圖9～12。

圖9 主＋附加力工況下縱向應力云圖

圖10 主＋附加力橫向應力云圖（單位：MPa）

由圖9、圖10可見，塔梁墩固結段的縱向應力水平較低，上塔肢外緣與主梁0號塊交界處存在較為明顯的應力集中現象，而上塔肢內緣與主梁0號塊交界處由于設置圓弧倒角進行過渡，應力集中的水平顯著緩解。

由于塔柱內傾，索力作用下橋塔承受面外彎矩，導致塔柱內側受壓、外側受拉，塔梁墩固結段中塔柱的下延部分出現一定程度的主拉應力，其值不超過0.81 MPa，見圖11、圖12。

圖11 主＋附加力第一主應力云圖

圖12 主＋附加力工況下第三主應力云圖

4 結論

（1）各個荷載工況作用下，塔梁墩固結段混凝土應力分布均勻流暢，除上塔肢外緣與與0號塊頂面的交界處壓應力值超過－37 MPa外，結構中沒有出現明顯的應力集中現象。

（2）主力及主＋附工況下，不計應力集中的影響，塔梁墩固結段混凝土主壓應力最大值為－23.5 MPa，出現在上塔肢外緣與與0號塊頂面的交界面附近；受面外彎矩作用，塔柱外側會出現不超過1.0 MPa的主拉應力，橫隔板內表面會受到不超過1.8 MPa的主拉應力。

（3）各個荷載工況作用下，應力集中區域僅出現在個別位置且在小范圍內恢復到正常應力水平。濾去這些區域的應力后塔梁墩固結段混凝土的應力水平未超過規范給出的材料強度限值。

［1］ 曹忠強.異型矮塔斜拉橋塔墩梁固結部位應力分析［J］.交通科技，2010（4）：41-44.

［2］ 顧安邦，徐君蘭.矮塔斜拉橋［C］.中國公路學會橋梁和結構工程學會2001年橋梁學術討論會論文集，2001：134.

［3］ 張海文，李亞東.矮塔斜拉橋索鞍混凝土局部應力分析［J］.鐵道標準設計，2009（1）：42-44.

［4］ 丁志威，張俊峰，武修雄，等.斜拉橋索塔與索梁錨固區局部應力分析［J］.交通科技，2011（5）：4-6.