槽型斷面梁斜拉橋塔梁墩固結(jié)區(qū)受力特性研究＊

戴公連，粟 淼，劉文碩，閆 斌

（中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075）

斜拉橋結(jié)構(gòu)體系包括漂浮體系、半漂浮體系、塔梁固結(jié)體系（塔梁通過固定支座相連）和剛構(gòu)體系（塔梁墩剛接）［1］.在300m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(jié)或剛構(gòu)體系，且主梁多為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu).剛構(gòu)體系的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)整體剛度較大，避免了在塔柱上設(shè)置大型支座，無需臨時支撐和體系轉(zhuǎn)換，尤其適合懸臂轉(zhuǎn)體施工.其缺點在于塔梁墩連接區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜，固結(jié)部位易出現(xiàn)較大應(yīng)力，因此，對于采用塔梁墩固結(jié)的斜拉橋，除做整體計算外，還應(yīng)考察局部節(jié)點的應(yīng)力分布情況.

國內(nèi)外學(xué)者對斜拉橋局部受力分析已經(jīng)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(jié)構(gòu)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(jié)點進行了數(shù)值分析和模型試驗；文獻［5－6］研究了斜拉橋塔梁固結(jié)處的應(yīng)力分布；文獻［7］對斜拉橋橋塔鋼橫桁梁整體節(jié)點進行了試驗?zāi)Ｐ脱芯亢陀邢拊治?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(jié)區(qū)而言，其應(yīng)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(jié)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(jié)區(qū)受力特點、應(yīng)力分布規(guī)律和傳力機理，并對構(gòu)造細(xì)節(jié)進行比較研究.

1 局部分析方法

結(jié)構(gòu)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(chǔ)上切割邊界生成考慮了結(jié)構(gòu)構(gòu)造細(xì)節(jié)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(wǎng)格細(xì)分進行受力分析［9］.子模型技術(shù)理論嚴(yán)謹(jǐn)，但要求整體模型必須是全橋?qū)嶓w單元或殼單元模型.直接建模法則根據(jù)局部結(jié)構(gòu)建立實體單元模型，從整體計算模型中取出位移或內(nèi)力結(jié)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(jié)果保證局部模型的正確性.直接建模法的思想實質(zhì)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(yù)應(yīng)力鋼筋等因素，在工程實踐中應(yīng)用較多，本文即采用該方法.

2 工程背景

滬昆客運專線某槽形梁獨塔斜拉橋位于長沙地區(qū)，跨越武廣高鐵線.為避免跨線作業(yè)施工，采用轉(zhuǎn)體方案［10］.橋塔高51.8m，小跨側(cè)和大跨側(cè)梁高分別為3.7m和3.5m，跨徑布置為（32＋80＋112）m，采用塔梁墩固結(jié)體系.主梁采用C50耐久混凝土，塔柱采用C55混凝土.槽型梁的使用可增大橋下凈空，并防止道砟掉落至橋下武廣線，見圖1.

為提高整體剛度，將該橋斜拉橋主塔在順橋向和橫橋向設(shè)計為倒Y形結(jié)構(gòu).不同于一般斜拉橋?qū)⒅髁杭茉O(shè)在橋塔內(nèi)側(cè)并留出一定間隙以形成塔梁墩固結(jié)的構(gòu)造形式［11］，該橋槽型梁兩側(cè)邊箱插入到塔柱中形成剛構(gòu)體系，可在滿足槽型梁內(nèi)鐵路限界的前提下盡量壓縮結(jié)構(gòu)尺寸，進而減小轉(zhuǎn)體重量，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2.

圖1 斜拉橋立面布置圖 （單位：m）Fig.1 Elevation of the cable－stayed bridge（unit：m）

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(nèi)建立局部模型時須保證邊界截面遠(yuǎn)離應(yīng)力分析區(qū)域，對矩形梁而言，通常認(rèn)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(cè)分別長為11m和7.641m，順橋向沿橋塔中心線小跨側(cè)長9.5m，大跨側(cè)長11.6m.塔柱為矩形空心截面，單根塔柱順橋向?qū)?m，橫橋向?qū)?m；槽型梁寬10.8m，梁高不超過3.7m，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(zhì)心處建立主節(jié)點，截面其余節(jié)點與主節(jié)點之間形成剛域，荷載施加至主節(jié)點上）而非集中力，可消除邊界處荷載分布不均勻的影響.

圖2 塔梁墩固結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of pier－tower－girder fixed region

圖3 斜拉橋整體模型Fig.3 Integrated model of the cable－stayed bridge

采用大型通用有限元程序ANSYS建立局部分析模型，見圖4.

圖4 塔梁墩固結(jié)區(qū)局部分析模型Fig.4 Local model of pier－tower－girder region

3.1 預(yù)應(yīng)力鋼束的模擬

在局部模型中，預(yù)應(yīng)力鋼束按等效荷載考慮.在局部模型邊界截面處被截斷的鋼束其預(yù)應(yīng)力效應(yīng)已被計入整體模型中輸出的邊界荷載；而端部錨固在局部模型中的預(yù)應(yīng)力鋼束其效應(yīng)根據(jù)其實際位置按等效荷載加至局部模型上.

3.2 荷載及約束條件

本文在局部模型大（?。┛鐐?cè)邊界截面和上塔柱邊界截面施加荷載，并約束塔底邊界截面位移.局部模型中共考慮5種工況，見表1.

表1 局部分析模型所考慮的荷載工況Tab.1 Load cases for region stress analysis

3.3 計算模型驗證

局部模型在荷載工況②作用下，塔底約束處反力與整體模型相應(yīng)截面內(nèi)力的相差小于7%.局部模型槽型梁截面內(nèi)力與整體模型對比見表2（表中截面位置坐標(biāo)以橋塔中心線為原點，小跨側(cè)截面坐標(biāo)為正）.從表2中數(shù)據(jù)可以看出，局部實體模型積分計算出的槽型梁截面內(nèi)力結(jié)果［13］與整體模型計算結(jié)果十分接近，證明了本局部模型邊界條件施加正確，計算模型有效.

表2 槽型梁截面內(nèi)力對比Tab.2 Contrast of internal force on trough girder

4 計算結(jié)果分析

4.1 法向應(yīng)力分布規(guī)律

為探討塔梁墩固結(jié)區(qū)總體應(yīng)力分布情況，在模型內(nèi)沿著順橋向和沿豎橋向截取一系列截面，查看各荷載工況作用下截面的平均法向應(yīng)力.由于荷載工況③和⑤作用下固結(jié)區(qū)應(yīng)力相對較小，本文僅列出①，②和④三種典型工況下的應(yīng)力結(jié)果，見圖5（拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)）.圖中順橋向截面以橋塔中心線為原點，向大跨側(cè)為正；豎橋向截面以槽型梁底板中心線為原點，向上塔柱方向為正.

圖5 法向應(yīng)力分布規(guī)律Fig.5 Trend of normal stress

固結(jié)區(qū)基本處于受壓狀態(tài)，由于其截面相對于主梁和塔柱斷面而言較大，其總體應(yīng)力水平并不高，其水平和豎直法向平均應(yīng)力均小于固結(jié)區(qū)范圍外截面應(yīng)力.

4.2 固結(jié)區(qū)中心截面正應(yīng)力分析

在工況④作用下，固結(jié)區(qū)中心截面邊箱腹板和底板三個方向正應(yīng)力分布見圖6.在腹板和底板處，其橫橋向正應(yīng)力基本均為拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力很小，不超過1.00MPa.

腹板的順橋向和豎橋向正應(yīng)力在底板中心線以上部分變化不大，大致處于－3.00至－3.60MPa之間，在距底板中心線1.5m處達到最大值，最大值為3.68MPa；在底板范圍內(nèi)沿截面高度逐漸減小.

底板內(nèi)的順橋向正應(yīng)力沿橋面寬度變化不大，而豎橋向正應(yīng)力在塔柱范圍內(nèi)較大，其值在橋塔范圍內(nèi)迅速減小.究其原因，是因為固結(jié)區(qū)順橋向正應(yīng)力主要由主梁方向的軸力引起，而豎橋向正應(yīng)力主要由塔柱方向軸力引起.

圖6 固結(jié)區(qū)中心截面正應(yīng)力分析Fig.6 Normal stress distribution of central section

4.3 主應(yīng)力分析

由于塔梁墩固結(jié)處結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象.工況④作用下，固結(jié)區(qū)主壓和主拉應(yīng)力見圖7.

固結(jié)區(qū)主壓應(yīng)力多分布在4.24MPa至19.50MPa之間，塔梁固結(jié)區(qū)應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯，最大主壓應(yīng)力達45.12MPa，出現(xiàn)在槽型梁底板上緣與塔柱交接角處（圖7（a）中A處）.最大主拉應(yīng)力達8.74MPa，出現(xiàn)在槽型梁過人洞與下塔柱人洞交接角處（圖7（b）中B處），扣除該區(qū)域，固結(jié)區(qū)主拉應(yīng)力水平不超過4.00MPa.除點A和點B外，認(rèn)為該固結(jié)區(qū)域整體應(yīng)力水平滿足使用要求.

為避免由于單元劃分不精細(xì)導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，在A點和B點處分別生成網(wǎng)格更精細(xì)的子模型［14］，通過比較子模型與原模型在切割邊界上的應(yīng)力結(jié)果，保證子模型的切割邊界遠(yuǎn)離應(yīng)力集中區(qū)域.原模型在應(yīng)力集中點位置的單元尺寸為50cm，子模型單元尺寸分別按10cm，5cm計，A和B點的應(yīng)力結(jié)果見表3.

表3 原模型和子模型結(jié)果對比Tab.3 Contrast between original model and sub model

圖7 固結(jié)區(qū)主應(yīng)力Fig.7 Principle stress of fixed region

由表3可知，細(xì)分網(wǎng)格子模型和原模型計算結(jié)果基本一致，說明本文所采用的局部模型的網(wǎng)格精度滿足要求.

5 構(gòu)造設(shè)計細(xì)節(jié)

在圖7中A處，造成槽型梁底板與上塔柱三個面相交于一點，此處結(jié)構(gòu)形狀突變，造成應(yīng)力集中明顯.因此在A處加設(shè)半徑為30cm的圓弧倒角，使結(jié)構(gòu)從槽型梁底板緩慢過渡至上塔柱（見圖8）.改進前后A處應(yīng)力分布情況見圖9.加設(shè)圓弧倒角后，槽型梁底板上緣與塔柱交接角處的主壓應(yīng)力值由45.12MPa降至15.49MPa，應(yīng)力改善效果十分明顯.

同樣，在槽型梁過人洞與塔柱過人洞接角處（圖7中B處）設(shè)置50cm的圓弧倒角后，其最大主拉應(yīng)力從8.14MPa減小至3.90MPa，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到明顯緩解.

圖8 構(gòu)造細(xì)節(jié)改進Fig.8 Improvement of structural detail

圖9 改進前后主壓應(yīng)力分布Fig.9 Principal compressive stress on location A

6 結(jié) 論

將斜拉橋槽型梁兩側(cè)邊箱插入塔柱中形成塔梁墩剛接體系，可壓縮結(jié)構(gòu)尺寸，減小轉(zhuǎn)體重量.在設(shè)計荷載作用下，該橋塔梁墩固結(jié)區(qū)其整體應(yīng)力水平滿足規(guī)范要求，并且應(yīng)力水平相對于固結(jié)區(qū)范圍以外截面較低，其結(jié)構(gòu)設(shè)計合理.

固結(jié)區(qū)中心截面腹板和底板應(yīng)力的分析結(jié)果表明，槽型截面的存在使得固結(jié)區(qū)沿橫橋向存在一定水平拉應(yīng)力，建議在設(shè)計時應(yīng)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(nèi)部縱向過人洞與豎向過人洞交接角處存在較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象.

在響應(yīng)位置加設(shè)圓弧倒角，可使結(jié)構(gòu)形狀過渡平緩，能較大幅度地減小應(yīng)力集中程度.建議工程設(shè)計及施工時應(yīng)避免在塔梁墩固結(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)尖角和折角，可通過加設(shè)倒角等措施使結(jié)構(gòu)過渡平緩.

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