矮塔斜拉橋塔梁墩固結區結構仿真分析

覃耀柳 李璐杰

摘要：文章以一座在建矮塔斜拉橋為依托工程，采用大型通用有限元軟件ANSYS建立實體有限元模型，對塔梁墩固結區進行結構仿真分析，得到其內部應力分布規律，評價結構的構造和配筋設計，并提出優化建議。

關鍵詞：矮塔斜拉橋;塔梁墩固結區;ANSYS 有限元;仿真分析

With an extradosed cablestayed bridge under construction as the relying project，this article uses the largescale general finite element software ANSYS to establish a solid finite element model，conducts the structural simulation analysis of tower beam pier consolidation zone，obtains its internal stress distribution law，evaluates the component and rebar design of this structure，and proposes the optimization recommendations.

Extradosed cablestayed bridge;Tower beam pier consolidation zone;ANSYS finite element;Simulation analysis

0 引言

矮塔斜拉橋造型美觀，造價經濟，跨越能力大，在世界范圍內逐漸受到青睞。隨著矮塔斜拉橋建設高潮的興起，對該結構進行更深入的理論分析尤顯必要。

本文針對所依托的實際工程，建立全橋空間桿系模型進行整體受力分析，塔梁墩采用空間梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬，通過剛性連接實現塔梁墩

固

結，提取整體分析的結果進行結構配筋設計。然而，整體分析只能反映結構的整體受力狀態，不能反映構件的細部應力分布情況。由于塔梁墩固結區構造比較復雜，索塔與主梁、主梁與主墩之間構件的剛度變化較大，容易造成局部應力集中，而這些現象在整體模型中不能得到全面反映。因此，有必要運用有限元軟件ANSYS建立實體仿真分析模型，對塔梁墩固結區進行細部分析，發現該區域更真實、更詳細的空間應力分布規律，使這些復雜區域的構造和配筋設計更有針對性，保證結構設計的合理性和安全性[1]。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

某三跨矮塔斜拉橋，跨徑布置為90 m+165 m+90 m，主橋全長345 m（見圖1）。主橋為雙塔單索面，每個主墩橫橋向設置一根獨柱式索塔，塔梁墩固結。主梁為預應力混凝土結構箱梁，單箱三室，縱橋向截面高度按1.8次拋物線變化。索塔為帶凹形導角的矩形截面，順橋向變截面，橫橋向等寬。主墩采用雙薄壁墩，承臺群樁基礎。支點處梁高6.2 m，跨中梁高3.2 m。梁頂寬度31 m，梁底寬度22 m。主塔橫橋向寬2.5 m，順橋向長塔頂6.0 m，塔底5.0 m，中間4.0 m，梁頂以上塔高22 m。斜拉索采用豎琴式布置，每個主塔設置12對斜拉索，梁上索距4.0 m，塔上索距0.8 m。斜拉索采用37s15.20鋼絞線，順橋向對稱于主塔錨固在主梁上，通過分絲管索鞍穿過索塔。

1.2 塔梁墩固結區構造

矮塔斜拉橋塔梁墩固結區構造復雜，主梁通過橫梁與主墩、索塔連成一體，構造尺寸見圖2～3。

2 有限元模型

2.1 建立有限元模型

本橋有限元模型包括Midas整體分析模型和ANSYS塔梁墩固結區局部分析模型。整體模型主要用于結構的整體驗算，并為局部分析模型提供位移和力邊界條件;局部分析模型用于對塔梁墩固結區進行細部分析研究。

塔梁墩固結區的應力狀態與整個結構的各個部位都是相互關聯的，嚴格來說，要弄清該區域的應力分布，需將全橋劃分為三維實體有限元進行空間應力分析，但這樣求解代價太大。根據圣維南原理，塔梁墩固結區的應力分布只與其附近區域的受力狀態有關，而遠離該區域的構件對其應力分布影響很小，可以忽略不計。故在進行實體分析時，僅以塔梁墩固結區附近區域作為研究對象，分析精度是否可以滿足工程需要。

整體分析模型中，塔梁墩以及承臺、樁基均采用空間梁單元模擬，拉索采用空間桁架單元模擬，塔梁墩之間及斜拉索和主梁、主塔之間通過剛性連接耦合。全橋共離散為1 518個節點，1 523個單元。整體分析模型見圖4。

ANSYS局部分析模型中，模擬出主梁0#～3#塊、10 m高以下塔柱、雙薄壁墩以及在0#～3#塊范圍內錨固的縱向、橫向、豎向預應力筋。塔梁墩混凝土采用solid45單元模擬，預應力筋采用link8單元模擬，采用降溫法模擬預應力筋張拉，不考慮普通鋼筋，雙薄壁墩墩底固結。在塔頂和主梁端部質心位置建立節點，節點采用mass21單元模擬，質心節點與塔、梁端面所有節點之間建立剛性域，從整體模型中提取內力或位移邊界條件施加在質心節點上。同時，需對實體模型施加自重及二期恒載。實體模型共離散為116 068個節點，473 949個單元。塔梁墩固結區實體有限元模型及預應力鋼束模型見下頁圖5、圖6。

2.2 分析工況及內力提取

根據結構受力特點及相關計算經驗，選取三個荷載工況進行局部分析：

工況1：施工階段最大懸臂。

工況2：運營階段主梁最大軸力。

工況3：運營階段主梁最大面內彎矩。

從整體模型中提取上述工況下的主梁和主塔相應截面內力，見表1。

2.3 結果分析

通過對上述三個工況進行局部分析，發現施工階段最大懸臂狀態（工況1）下塔梁墩固結區受力最不利。限于篇幅，本文僅示出最不利工況下的分析結果，見圖7～14，應力單位為MPa，拉應力為正，壓應力為負。

從分析結果可知，塔梁墩固結區域受力最不利工況出現在施工階段最大懸臂狀態。在該工況下，塔梁墩固結區大部分受力較合理，最大主拉應力多數為0～3.5 MPa，主拉應力的產生以橫向、豎向拉應力為主。順橋向由于預應力鋼筋設置較多，拉應力較小，普遍在1 MPa以下。根據局部分析結果，建議固結區采用鋼纖維混凝土，通過摻入鋼纖維提高混凝土的抗裂性能;同時，建議固結區增加普通鋼筋的設置密度，尤其是橫向和豎向普通鋼筋，以限制裂縫的發展。

此外，分析發現塔梁墩固結區中間箱室與墩頂橫梁相交處的主拉應力較大，最大主拉應力為7.5 MPa，主拉應力的產生以橫向和豎向拉應力為主。因此，建議加大中間腹板與墩頂橫梁相交處的導角設置范圍，通過構造措施減小腹板與墩頂橫梁之間的剛度差，使腹板內力均勻地傳遞給墩頂橫梁，減小應力集中。同時，該區域的普通鋼筋也應適當加密，控制裂縫發展。

3 結語

矮塔斜拉橋塔梁固結區構造復雜，各構件間截面變化大，導致剛度變化大，受力復雜，容易造成應力集中。整體計算模型只能分析結構的整體受力狀態，很難求得細部區域的應力分布情況[2]。本文通過采用ANSYS有限元軟件建立塔梁墩固結區實體仿真分析模型，發現塔梁墩固結區詳細的應力分布規律，對局部應力超限的部位提出構造和配筋上的優化措施，對設計和施工起到很好的指導作用，保證結構安全可靠。

參考文獻：

[1]劉小軍.矮塔斜拉橋0號塊結構細部分析研究[J].山西交通科技，2017（4）：70-73.

[2]燕海蛟，安永日.大跨連續剛構橋0號塊空間應力分析[J].公路交通技術，2018，34（2）：37-43.