矮塔斜拉橋塔-梁-墩固結局部分析

張樹清

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司　合肥　230088)

矮塔斜拉橋塔-梁-墩固結局部分析

張樹清

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司合肥230088)

摘要采用ANSYS 建立矮塔斜拉橋塔梁墩固結區局部有限元模型，對結構安裝后的最不利工況進行靜力分析。分析了塔梁墩固結區混凝土受力，得到其應力分布情況，并對塔梁墩固結區設計方案進行綜合評價。

關鍵詞矮塔斜拉橋塔梁墩固結有限元靜力分析

某橋跨徑布置為120 m+200 m+120 m，全長440 m，為矮塔斜拉橋方案，見圖1。主橋采用塔梁墩固結結構體系。主梁采用斜腹板單箱3室塔變高度箱梁，主墩采用雙薄壁墩，下部采用承臺及群樁基礎。主塔采用獨柱矩形塔，布置在中央分割帶上，塔高35 m；主塔順橋向長6.0 m，橫橋向寬2.5 m，塔上斜拉索理論豎向間距1.0 m，橫向雙排布置，雙排間距0.8 m。

圖1　矮塔斜拉橋總體布置圖(單位：m)

塔梁墩固結區屬于構件交匯處，其構造和應力分布都較為復雜，為研究該區域應力分布狀況，須對該區域進行詳細的空間分析[1]。由于分布于彈性體上一小塊面積(或體積)內的荷載所引起的物體中的應力，在離荷載作用區稍遠的地方，基本上只同荷載的合力和合力矩有關；荷載的具體分布只影響荷載作用區附近的應力分布。因此，塔梁墩固結區域的應力分布只與其附近區域的受力狀態有關[2]，可以弱化遠離該區域構件對其的影響。

1有限元模型

全橋整體平面計算結果只能反映結構整體安全性能，不能反映結構局部應力狀況。根據全橋整體計算分析結果，選取整體計算最不利受力工況進行局部分析計算。采用通用有限元軟件ANSYS建立塔梁墩固結區的空間仿真計算模型。考慮計算機性能以及結構具有對稱性，為減少計算規模，選取1/4模型進行分析計算，計算結果采用ANSYS模型擴展技術進行處理，有限元模型見圖2。

圖2　塔梁墩空間分析模型

在有限元分析中，真實的邊界條件是很難模擬出來的，只能對其進行一系列假定。邊界條件設置時與實際結構的近似程度將直接影響到計算的準確性。在盡量考慮模型邊界條件與實際結構近似的同時，對無法準確模擬的邊界條件按偏于安全處理。根據全橋整體計算情況，提取有限元模型的位移邊界條件和力的邊界條件，然后把其施加在局部分析有限元模型上[3]。局部分析的目的是研究該區域的應力分布情況，在局部分析模型的足夠遠梁端、塔端施加力的邊界條件，在對稱面上施加對稱約束，在橋墩底面約束所有自由度。

2荷載工況

2.1　荷載施加

2.2　計算工況

由于橋梁規模較大，施工過程復雜，施工工況很多，針對每個施工工況都進行墩梁固結局部分析，耗時耗力。在局部分析中結合整體計算的工況結果，選取對結構最不利幾個工況進行分析，計算出最不利加載工況橋梁結構響應，讀取此工況梁端和塔端截面內力，以此內力作為實體模型荷載邊界條件[5]。從主橋整個施工過程及運營階段荷載組合中選取最不利荷載工況，見表1。共考慮2種荷載工況:工況一，最大雙懸臂狀態，即邊中跨均未合龍；工況二，正常使用極限狀態標準組合(彎矩最大)。

表1　各工況下梁端荷載

3結果分析

對塔-梁-墩進行有限元分析，得到其在所選取最不利工況下的應力分布，見圖3、圖4。

圖3工況一：塔梁墩固結區箱梁剖視

應力云圖(單位：MPa)

由圖3可見，在工況一作用下，塔身承受豎向壓力為主，主壓應力在8.4～12.8 MPa之間，在塔柱和箱梁交接圓弧倒角處，出現應力集中，局部最大壓應力19.349 MPa，應力范圍較小且應力擴散很快；箱梁底板主壓應力在5.5～9.7 MPa之間；箱梁腹板主壓應力在8.73～13.41 MPa之間；箱梁頂板主壓應力在11.816～16.026 MPa之間，在橫隔板和箱梁頂板交接倒角處局部應力集中最大壓應力18.131 MPa；箱梁橫隔板人洞倒角處，局部拉應力較大，局部最大拉應力2.905 MPa；箱梁0號橫梁處于受壓狀態，壓應力在2.135～2.929 MPa之間；橋墩處于受壓狀態，壓應力在3.455～5.568 MPa之間。

圖4工況二：塔梁墩固結區箱梁剖視

應力云圖(單位：MPa)

由圖4可見，在工況二作用下，塔身承受豎向壓力為主，主壓應力在11.3～14.189 MPa之間，在塔柱和箱梁交接圓弧倒角處，出現應力集中，局部最大壓應力25.744 MPa，應力范圍較小且應力擴散很快；箱梁底板主壓應力在5.48～10.048 MPa之間；箱梁腹板主壓應力在8.525～13.094 MPa之間；箱梁頂板主壓應力在11.191～15.181 MPa之間，在橫隔板和箱梁頂板交接倒角處，局部應力集中，最大壓應力17.184 MPa；箱梁橫隔板人洞倒角處，局部拉應力較大，局部最大拉應力2.927 MPa；箱梁0號橫梁處于受壓狀態，壓應力在2.113～2.901 MPa之間；橋墩處于受壓狀態，壓應力在4.965～6.277 MPa之間。

綜上所述，在最不利工況下，塔梁墩固結區域最大主拉應力2.927 MPa，位于人洞倒角處，最大主壓應力25.744 MPa位于塔梁圓弧倒角處。除局部角點應力集中和人孔周邊應力較大外，其余部位應力均小于混凝土抗拉和抗壓強度允許值。

4結語

三維空間分析能直觀地了解該構件應力分布情況，繪出該區域應力云圖。計算結果顯示塔墩梁固結區域，在不利荷載工況作用下應力滿足規范要求，承載力強度符合設計要求。塔梁結合處及人孔周邊拉應力超出規范要求的混凝土容許拉應力，需加強其周邊混凝土鋼筋配置；其余部位箱梁、橋墩應力受力均勻，應力值均滿足規范要求。

參考文獻

[1]JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[2]黎耀，鄭凱峰，陳力波.大跨矮塔斜拉橋塔墩梁固結部位應力計算分析[J].廣東公路交通，2007(3):14-17.

收稿日期：2015-06-12

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.05.016