圓環橋塔細部分析

孫書亭，劉 斌

（中國市政工程華北設計研究總院，天津市 300074）

0 引言

橋梁結構最簡單最常用的結構分析方法是采用平面桿系的分析方法，對于常規的結構采用桿系模擬結構的計算結果足以滿足工程需要，但對于一些復雜的局部構造采用桿系分析不能精確得出內力分布，或者結構不滿足桿系假定條件的結構。如斜拉橋的錨固區、橋塔的塔梁固結段、拱橋的拱腳區等。此時應采用板單元或者實體單元模型進行精確分析，以確定結構的應力分布規律。本文對某一圓環塔斜拉橋橋塔截面變化段進行了局部的詳細分析。

1 工程概況

橋梁位于某一跨越鐵路的互通立交橋主線上，斜拉橋全長180 m，跨徑布置為62.5 m+55 m+62.5 m，橋梁為兩幅橋面，主梁為現澆預應力混凝土連續箱梁，橋塔為圓環狀鋼塔。中央分隔帶寬13 m，橋面凈寬20 m，橋塔位于中央分隔處，橋塔順橋布置在中央分隔帶上，橋塔軸線直徑為88 m，塔頂距地面100 m左右。塔身截面為矩形，為增加橋塔的穩定性，在位于橋塔半圓附近塔身一分為二，分成兩個截面為6 m×3 m的矩形的塔腳，作為塔身的支撐，塔腳錨固在承臺基礎內。橋塔立面見圖1。

2 塔身細部構造與模型的建立

塔身的正常段截面為6 m×5 m矩形，鋼板厚度根據受力分布情況分別采用了25 mm、30 mm等幾種形式。在截面變化設置了加強的隔板，隔板鋼板的厚度與鋼箱梁的頂板厚度一致，均為30 mm。塔腳支撐段截面為6 m×3 m矩形，箱梁頂板與底板及腹板鋼板厚度為25 mm，中間設一16 mm的隔板。典型斷面見圖2、圖3。

塔身與塔腳的連接在桿系單元模型里采用固結六個自由度的彈性連接模擬。細部分析采用板單元模擬鋼箱梁的頂板、底板、腹板，隔板按照施工圖的實際布置方式建立板單元，然后將要分析的部分插入到整體梁單元模型中，以主從節點的方式與桿系塔身單元連接。為精確分析，減小由于板單元的尺寸所引起的誤差，板單元的最大尺寸設定為30 cm。其模型見圖4。

由于本工程結構的特點，橋塔的內力主要由于恒載所引的，溫度及混凝土收縮與徐變所引起的內力較小，只對比分析恒載的效應。

3 對比分析

分析對比桿系單元編號，見圖5、圖6。

主要對比分析923號單元左端與955號單元的右端的應力值，見圖7。

利用軟件的梁單元細部分析功能，提取923單元的左端與955號單元右端的應力結果，見表1。

923號單元截面上緣正應力為拉應力66.8 MPa，下緣正應力最大為壓應力129.4 MPa，上、下緣范梅塞斯應力分別為69.8 MPa和130.8 MPa，剪應力均為12.3MPa。955號單元上緣左端應力為32.3 MPa，右端應力為82.7 MPa均為拉應力；下緣右端為壓應力78.MPa，左端為壓應力128.7 MPa，剪應力4個點分別為10.3 MPa、19.1 MPa、10.1 MPa和1.7 MPa，4個點的范梅塞斯應力分別為37 MPa、82.8 MPa、80.4 MPa與128.8 MPa，最大拉應力為截面上緣右端為82.7 MPa，最大壓應力為下緣左端128.7 MPa。

圖1 橋塔立面與斷面圖（單位：mm）

圖2 塔身典型斷面圖（單位：mm）

圖3 塔腳典型斷面圖（單位：mm）

圖4 分析模型

圖5 桿系單元模型

圖6 板單元模型圖

圖7 截面應力點示意圖

表1 梁單元應力表

板單元分析結果見圖8～圖11，為對比方便，分別給出頂板與底板的應力云圖。頂板下部單元與1、2號點位對應，底板下部單元與3、4號點位對應。

圖8 923號單元底板正應力云圖

圖9 923號單元頂板正應力云圖

圖10 923號單元底板范梅塞斯應力云圖

圖11 923號單元頂板范梅塞斯應力云圖

從應力云圖結果中得出，正應力在截面上緣左、右端應力為87.4 MPa，比梁單元的66.8 MPa的分析結果稍大一些，截面下緣板單元左端與右端的應力分別為99.6 MPa，比梁單元的129.4 MPa小一些，但其極值點出現在截面變化的部位，即與塔腳相接的部位，此處出現應力集中的現象，主要是因為截面板的厚度變化的緣故。這也說明在一些特殊部位，梁單元不能精確分析應力分布情況，板單元或實體單元按照實際構造進行模擬，能夠得出相對準確的結果。范梅塞斯應力頂板與底板應力極值分別為50.9 MPa與87.4 MPa，均比梁單元的結果小。

955號單元應力云圖見圖12～圖15，頂板單元的上部單元與底板單元的上部單元分別與梁單元的1、2和3、4點位相對應。

圖12 955號單元頂板正應力云圖

圖13 955號單元底板正應力云圖

圖14 955號單元頂板范梅塞斯應力云圖

圖15 955號單元底板范梅塞斯應力云圖

圖16 腹板正應力云圖

圖17 隔板正應力云圖

從板單元分析結果得知，在955號單元右端截面頂板的正應力及范梅塞斯應力極值分別為81.7 MPa與71 MPa，梁單元截面對應位置的應力極值分別為82.7 MPa與82.8 MPa，比梁單元的結果略小一些。底板的正應力與范梅塞斯應力極值分別為165.2 MPa和147.4 MPa，梁單元對應位置的應力極值分別為128.7 MPa與128.8 MPa，均比梁單元的結果要大一些。從應力云圖應力分布分析，應力極值只在底板與及板相接處一個單元，相鄰單元應力急劇下降，為100 MPa左右，因此施工中應盡量減小頂、底板與腹板焊接處的殘余應力，以免局應力過高。應力沿塔身向塔腳遞減，與梁單元分析結果分布規律一致。腹板與隔板的應力云圖見圖16、圖17。

從腹板應力云圖中看出，在腹板與頂板底板相接處的單元應力相對較大，在腹板中性軸附近應力很小，也與梁單元中上下緣的應力分布規很一致，即上、下緣應力較大，靠近中性軸處的應力較小的分布規律一致。從隔板的應力云圖中得知，整個隔板應力相對均勻，并且數值也相對較小，只是在與頂底板相接處應力出現峰值，在進行隔板的設計時，可根據構造要求適當減小隔板的鋼板厚度。

4 結語

對于結構復雜的橋梁結構除進行必要的桿系模型整體分析外，還應進行板單元或實體單元模型的細部分析，才能準確的把握結構的內力分布，并驗證采用的構造措施是否合適，及驗證桿系分析結果的準確性，保證結構具有足夠的安全性，而且可以根據細部分析的結果進行優化設計，使結構滿足經濟、安全的最基本的要求。

[1]JTJ025-1986，公路橋涵鋼結構及木結構設計規范[S].1986.

[2]GB 50017-2003，鋼結構設計規范[S].2003.