斜塔斜拉橋主塔詳細應力分析

□文/張 昊 謝 斌 張一卓 何玉寶 楊 潔 陸華臻

主塔是斜拉橋的主要受力構(gòu)件，通過常規(guī)的全橋梁單元模型分析，可進行全橋的施工、運營階段動力特性分析和彈性穩(wěn)定性分析，獲得全橋的靜、動力特性，但基于全橋梁單元模型的分析，無法實現(xiàn)對局部構(gòu)造詳細受力尤其是橫向受力特點的分析，特別是特殊橋型及橋塔的受力，更有必要針對其本身進行詳細應力分析。

鄂爾多斯烏蘭木倫河450 m主跨混合梁斜塔斜拉橋的設計橋型結(jié)構(gòu)復雜，細部構(gòu)造繁多，而且A形橋塔和鋼主梁都是薄壁桿件，局部受力特點對整個橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全有很重要的作用。為了能夠更準確地分析橋塔受力特性，特別是橋塔橫截面應力分布，加勁肋和鋼錨箱的受力特點等情況，有必要采用板單元詳細模擬A形橋塔的塔壁、橫隔板、加勁肋以及錨箱構(gòu)造，對A形橋塔的詳細受力及變形特點進行分析研究，以期得到準確的橋塔應力分布特點，從而對該項目的設計提供指導并對類似結(jié)構(gòu)的設計提供借鑒。

1 工程概況

鄂爾多斯烏蘭木倫河四號景觀大橋為混合梁斜塔斜拉橋，主跨為450 m，雙塔三跨，縱向飄浮體系，采用A型斜塔并向主跨側(cè)傾斜12°。邊跨設輔助墩，橋塔與主梁相交處設橋墩。主橋跨徑布置為40 m+42 m+42 m+51 m+450 m+40 m+42 m+42 m+51 m。見圖1和圖2。

橋塔為A形鋼塔，南、北兩橋塔由于兩側(cè)地形相差較大，橋面以下高度不同，上塔段高度為105 m，高跨比為1/4.3。順橋向?qū)挾扔伤斨恋锥藦? m加大到約10 m，橫橋向等寬為3.3 m。上塔柱斷面為單箱三室結(jié)構(gòu)，壁厚36 mm，下塔柱為單箱六室結(jié)構(gòu)，壁厚42 mm。見圖3。矩形塔柱外側(cè)設置切角，提高抗風性能。

圖1 平面布置

圖2 橋塔投影

圖3 橋塔截面構(gòu)造

鋼塔柱伸入下塔墩5 m(鋼塔中心處垂直高度)并在鋼塔柱灌注C50混凝土過渡。在鋼塔柱埋入段的壁板及腹板上開φ60 mm圓孔，穿φ25 mmHRB335鋼筋與進入該孔的混凝土形成PBL剪力鍵，在下塔墩以上4 m范圍的鋼塔柱內(nèi)表面按20 cm×20 cm間隔設置φ22 mm×170 mm圓柱頭焊釘，由兩者共同把橋塔受壓時產(chǎn)生的剪力以混凝土受壓的形式均勻傳遞到基礎上。為增加鋼塔與下塔墩接觸面積，優(yōu)化剪力傳遞效果，伸入下塔墩的鋼塔柱側(cè)壁外設置鋼板伸出肢。橋塔受拉或受彎時產(chǎn)生的拉應力由錨固在主墩承臺及鋼塔柱之間的預應力鋼束承受，同時加設精軋螺紋鋼筋，以減少預壓力的不均勻性。

斜拉索采用空間扇形布置，對應每個橋塔布置34對斜拉索。斜拉索通過鋼錨箱與鋼梁連接，通過混凝土錨塊與混凝土梁連接，為方便結(jié)果分析，特將斜拉索編號如下：南橋塔自塔頂背索向下，邊跨側(cè)編號為A17～A1，主跨側(cè)為A17′～A1′；北橋塔自塔頂背索向下，邊跨側(cè)編號為B17～B1，主跨側(cè)為B17′～B1′。

2 主塔詳細模擬

以南橋塔為例，采用有限元軟件ALGOR進行建模，對橋塔外壁板、內(nèi)部的橫隔板、加勁肋和錨箱結(jié)構(gòu)用板單元進行詳細模擬，單元總數(shù)約40萬個。見圖4。

圖4 A形橋塔整體模擬

對A形斜塔獨立分析，除自重外，其他外荷載對橋塔的作用都是通過斜拉索的索力傳遞給橋塔，而索力加載采用均勻節(jié)點集中荷載的方法進行模擬。

根據(jù)全橋梁單元模型分析結(jié)果，得出針對橋塔的四組相對不利的索力，分別使得橋塔底端產(chǎn)生最大、最小軸力和最大、最小彎矩，見表1。

表1 不利索力 kN

將四組索力分別與橋塔自重相組合，得五種工況。

工況一：裸塔自重。

工況二：自重+索力1(使塔底產(chǎn)生最小軸力)。

工況三：自重+索力2(使塔底產(chǎn)生最大軸力)。

工況四：自重+索力3(使塔底產(chǎn)生最大彎矩)。

工況五：自重+索力4(使塔底產(chǎn)生最小彎矩)。

3 主塔詳細分析

根據(jù)板單元詳細模型，分別對五種工況進行分析，得出各個構(gòu)件詳細應力結(jié)果，基于此，對模型的變形進行分析，研究其剛度。

3.1 應力分布

以工況四為例。組成橋塔的各板件應力分布見圖5-圖10。

圖5 翼緣應力

圖6 外腹板應力

圖7 內(nèi)腹板應力

圖8 橫隔板應力

圖9 加勁肋應力

圖10 錨箱應力

3.2 應力匯總

五種工況作用下，橋塔各部件最不利應力見表2。

表2 各部件應力匯總 MPa

續(xù)表2

續(xù)表2

由表2可以看出，前后翼緣板最大Von Mises應力是124.57 MPa，最大主應力、最小主應力分別是99.47、-122.47 MPa；腹板的最大 Von Mises應力是122.16 MPa，最大及最小主應力分別是95.9、-122.45 MPa；加勁肋的最大Von Mises應力是149.83 MPa，最大及最小主應力分別是121.30、-138.69 MPa；橫梁應力最大部位為橫隔板，最大Von Mises應力是127.06 MPa，最大及最小主應力分別是 53.12、-132.61 MPa，上述應力計算結(jié)果均在材料允許使用強度范圍內(nèi)并具有一定的安全儲備，說明橋塔設計基本合理。

全橋塔最大換算應力為178.88 MPa，出現(xiàn)在錨箱翼緣；最大主應力為149.60 MPa，出現(xiàn)在錨箱鋼管；最小主應力為-179.79 MPa，出現(xiàn)在錨箱墊板：橋塔應力水平相對合理。

3.3 橋塔根部應力分析

A形橋塔基于板單元的ALGOR詳細模型建模復雜，部件較多，構(gòu)件之間的連接耦合亦比較繁瑣，在整個板單元模型的實現(xiàn)過程中，不易控制所有單元使其形狀規(guī)則、大小均勻，尤其是多個部件含有相對傾斜的連接耦合之處，故應力計算時，很難避免應力集中。鑒于此，根據(jù)橋塔受力的特點，進一步抽取橋塔根部，尤其是前后翼緣板的應力計算結(jié)果。根部結(jié)構(gòu)簡單，單元規(guī)則且從理論分析的角度可以認為其應反映了橋塔的最大應力狀況。不利工況作用下塔根處翼緣板應力分布見圖11-圖14。

圖11 工況二下橋塔根部翼緣板應力

圖12 工況三下橋塔根部翼緣板應力

圖13 工況四下橋塔根部翼緣板應力

圖14 工況五下橋塔根部翼緣板應力

綜上分析結(jié)果，橋塔根部為橋塔為彎矩及軸力最不利的位置，結(jié)果表明，此處最大主拉應力為43.06 MPa，最大主壓應力為102.20 MPa，滿足材料使用要求。

橋塔根部翼緣進一步的詳細應力分析可以更精確的反應橋塔最大應力情況，分析結(jié)果可知，前述主塔詳細應力分析存在一定的應力集中，但其結(jié)果基本代表并可包絡各個構(gòu)件的詳細應力分布。

3.4 變形計算分析

在以上五組工況作用下，基于主塔板單元模型，分析其變形，以便更準確的了解其剛度特征，摘取部分工況結(jié)果，觀察A形斜塔的位移見圖15和表3。

圖15 典型工況下橋塔變形

表3 五種工況下變形匯總 mm

由表3可以看出，橋塔最大變形量446.41 mm，出現(xiàn)在自重和最大彎矩索力組合工況。成橋之后，在工況三、工況四和自重和工況五作用下，橋塔塔頂均出現(xiàn)朝岸側(cè)的縱向變形分別為208.73、427.78、193.99 mm，設計中可通過適當預拋調(diào)整塔頂縱向變形。

4 研究結(jié)論和不足

橋塔是斜拉橋主要承力構(gòu)件，橋塔均為薄壁結(jié)構(gòu)，內(nèi)部橫隔板、加勁肋眾多，相對于梁單元，板單元可以更準確地模擬橋塔并可以模擬錨箱等結(jié)構(gòu)且能得到更詳細、準確的應力分布及剛度特征，尤其局部細節(jié)的應力分布。

模型中適當提高局部控制板件模擬精度，根據(jù)其結(jié)果可對分析結(jié)果做進一步的定性分析，本文中通過對橋塔根部翼緣板的精確分析，定性分析主塔詳細應力結(jié)果的應力集中情況及包絡性。

根據(jù)分析結(jié)果，錨箱處應力明顯高于其他處。其通過上、下翼緣板與塔柱腹板的焊接將索力傳遞給橋塔，因此錨箱翼緣板與塔柱腹板之間的焊接質(zhì)量是影響索力傳遞的關鍵，在設計及施工過程中，應優(yōu)先保證此處焊縫的完整及質(zhì)量。

從橋塔構(gòu)造而言，主要受力板件連接焊縫盡量熔透，錨箱結(jié)構(gòu)板件相對緊湊，應采取必要建造順序和措施，使建造結(jié)構(gòu)符合設計要求；從鋼結(jié)構(gòu)通用設計原則而言，箱型結(jié)構(gòu)外側(cè)連接構(gòu)件的主要板件要求和箱內(nèi)橫隔板(或斜向隔板)相對應，使局部傳力順暢，橋塔橫梁設計時應遵循此原則。

由于水平和精力有限，本文尚未對該橋整體受力特點進行展開論述，尤其是對鋼錨箱這一個關鍵受力構(gòu)件的受力及構(gòu)造應進行針對性的分析，希望后續(xù)努力能在此方面得到進一步的成果。