矮塔斜拉橋0號塊結構細部分析研究

劉小軍

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

該矮塔斜拉橋在整體力學性能分析中采用空間梁單元和桁架單元來模擬，通過上橫梁將塔梁連為一體，利用整體模型的分析結果來進行塔梁配筋設計，但是0號塊結構構造復雜，不僅頂板與Y型橋塔相連接，同時還與上橫梁相固結，而0號塊、橋塔以及上橫梁的內部又同時采用了挖空形式，更是加劇了其整體空間復雜性，故梁單元分析結果不能用于0號塊的配筋設計。考慮到空間梁單元模型無法得到0號塊真實空間應力分布的因素，因此有必要對該矮塔斜拉橋0號塊進行結構細部分析，以便更加真實地反應其空間應力分布狀態，同時也可以指導該部位的構造擬定及配筋設計工作。

1 工程概況

1.1 主橋概況

主橋采用（87+160+87）m雙塔斜向雙索面三跨預應力混凝土矮塔斜拉橋。主梁為單箱雙室結構，寬28.0 m，橋塔處梁高 5.0 m，跨中梁高 3.5 m，1～7號梁段為梁高變化段，其余為等高段。橋塔為Y型塔，塔高24.8 m，每個橋塔共設置8對斜拉索，采用分絲管索鞍形式，每根斜拉索貫穿主塔并錨固在主梁上。主橋立面布置圖如圖1所示。

圖1 主橋立面布置圖（單位：m）

1.2 0號塊結構構造

0號塊結構構造復雜，不僅與橋塔相連接，而且與上橫梁也連為一體，具體結構構造尺寸如圖2、圖3所示。

圖2 0號塊立面圖（單位：cm）

圖3 0號塊橫斷面圖（單位：cm）

2 分析模型的建立

將0號塊、上中橫梁及部分橋塔作為一個整體來進行空間應力分析，其中0號塊和上橫梁采用C55混凝土，其余部位為C50混凝土，縱、橫、豎向預應力筋采用Strand1860鋼絞線。

全橋采用有限元軟件Midas/Civil建立桿系整體分析模型，其中承臺、墩塔、主梁采用空間梁單元模擬，拉索采用空間桁架單元模擬[1]，整體分析模型見圖4。

圖4 全橋整體分析模型

利用空間有限元分析軟件Midas/FEA進行0號塊空間實體模型的建立，首先對實體進行線網格尺寸控制，單元長度為0.3 m，然后進行實體網格劃分，共劃分為482020個單元，103435個節點。在0號塊實體單元中設置縱、橫、豎向共83束預應力鋼筋，其中頂板縱向3束，頂板橫向20束，上橫梁肋板橫向12束，腹板豎向48束，鋼束采用鋼筋梁單元模擬并分別進行了網格劃分[2]。0號塊及上橫梁混凝土自重26 kN/m3，橋面二期恒載為5.518 kN/m2，預應力張拉應力0.72fpk=1339.2 MPa，實體模型邊界條件為兩個墩底固結。0號塊實體模型及鋼束模型分別見圖5、圖6。

圖5 0號塊實體模型

圖6 0號塊鋼束模型

3 分析工況及內力提取

由于0號塊在各個施工階段以及成橋狀態下，其應力分布狀態一直處于復雜的變化過程中，根據以往文獻[3]分析經驗來看，0號塊的空間應力分析階段一般為最大雙懸臂施工階段和成橋使用階段。和以往0號塊分析不同的是，除了提取0號塊前后截面內力，還需提取左右上塔柱截面內力。0號塊、上塔柱共4個截面內力提取值參見表1。

表1 0號塊及上塔柱截面內力值

4 0號塊空間應力分析

通過建立截面質心節點，在質心節點與截面所有節點之間建立剛性連接，將整體模型提取出來的內力施加在質心節點上，力和力矩則通過剛性連接傳遞到整個截面上，施加過程中要注意Midas/Civil整體模型單元坐標系與Midas/FEA整體坐標系存在夾角，需把內力方向從單元坐標系換成整體坐標系[4]。應力分析云圖中，均以拉應力為正，壓應力為負。

4.1 工況一 最大雙懸臂施工階段

0號塊橫橋向應力、豎向應力及主拉應力云圖見圖7～圖9。從圖7中可知，橫橋向最大拉應力出現在塔梁相接處附近0號塊頂板區域，達到3.055 MPa，此外，上橫梁底板處于橫向受拉狀態，最大值為2.280 MPa，分布在上橫梁1/4跨底部區域；從圖8中可知，豎向最大拉應力出現在0號塊橫隔板過人孔下部范圍，達到2.139 MPa，整個橫隔板均處在豎向拉應力區，且靠近腔室一側的應力值較大，同時上橫梁底板與塔交接處出現壓應力集中現象，達到-26.735 MPa；從圖9中可知，整個模型主拉應力最大值為4.25 MPa，位于橋塔內上橫梁肋板橫向鋼束錨固端，此處未考慮錨墊板影響，其值失真，塔梁相接處0號塊頂板主拉應力最大值為3.15 MPa，上橫梁底板主拉應力最大值為3.0 MPa。

圖7 0號塊橫橋向應力（工況一）

圖8 0號塊豎向應力（工況一）

圖90 號塊主拉應力（工況一）

4.2 工況二 成橋階段墩頂最大負彎矩

0號塊橫橋向應力、豎向應力及主拉應力云圖見圖10～圖12。從圖10中可知，橫橋向最大拉應力為3.541 MPa，出現位置同工況一，上橫梁1/4跨底板區域最大拉應力為2.950 MPa，較工況一有所增大。從圖11中可知，豎向最大拉應力為3.464 MPa，出現在上橫梁橫隔板上部靠近腔室一側，同工況一相比，最大值出現位置發生轉移，此外，上橫梁底板與塔交接處最大壓應力為-29.695 MPa。從圖12中可知，最大主拉應力4.268 MPa，位置同工況一。此外，0號塊頂板、上橫梁底板以及橫隔板的局部區域主拉應力值較大，個別位置超過3.6 MPa。

圖10 0號塊橫橋向應力（工況二）

圖11 0號塊豎向應力（工況二）

圖12 0號塊主拉應力（工況二）

4.3 工況三 成橋階段0號塊最大剪力

0號塊橫橋向應力、豎向應力及主拉應力云圖分布形態同工況二，僅應力值略有不同，在此不一一列出。橫橋向最大拉應力為3.544 MPa，出現位置同工況二，上橫梁1/4跨底板區域最大拉應力為2.96 MPa；豎向最大拉應力為3.056 MPa，出現位置同工況二，上橫梁底板與塔交接處最大壓應力為-30.711 MPa；最大主拉應力4.323 MPa，位置同工況二，此外，0號塊頂板、上橫梁底板以及橫隔板的局部區域主拉應力值較大，個別部位超過3.0 MPa，但相比工況二整體略小。

5 結語

a）通過對矮塔斜拉橋0號塊進行三維空間應力分析，可以明確結構拉、壓應力分布狀態，進而把握裂縫可能出現位置以及混凝土應力過大的位置，為0號塊的結構構造及配筋設計的合理性提供理論依據。

b）0號塊橫橋向最大拉應力位于塔梁相接處附近頂板區域，主要是由張拉上橫梁肋板橫向束所引起的，可以通過先張拉肋板橫向束后澆筑頂板與塔柱連接部的施工方法來解決這一問題；此外，0號塊橫隔板及其過人孔周邊位置豎向拉應力較大，易出現開裂，建議這些部位應加強鋼筋配置。

c）上橫梁與0號塊連為整體，主梁豎向荷載主要通過上橫梁傳遞到橋塔，故上橫梁底部局部區域會出現較大橫橋向拉應力，這在設計中應特別引起重視，一是在構造上增加上橫梁拱形底板的厚度及矢跨比，二是增加上橫梁肋板橫向鋼束并加強底板鋼筋配置。此外，在上橫梁底板與塔柱內側之間可采取順適過渡的結構形式以避免出現壓應力集中現象。