超寬幅單索面斜拉橋橋墩受力仿真分析

（廣東省長大公路工程有限公司，廣東 廣州 510000）

一、工程背景

廣東省清遠市北江四橋是一座主跨418m的雙塔單索面混合梁斜拉橋，采用塔梁固結(jié)、塔墩分離的連續(xù)梁受力體系。主塔中心軸線順橋向兩側(cè)共22.1m范圍采用預應力混凝土箱梁，其余部分為鋼箱梁，鋼箱梁與混凝土梁段采用鋼-混結(jié)合段連接。橋塔采用“水滴流線型”橋塔，兩橋塔沿跨中軸線反對稱布置，橋面以上主塔全高63m，橋塔為預應力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。為配合塔柱造型，該橋主墩在縱橫橋向均采用特殊的漸變造型，縱橋向呈“U”字形，橫橋向呈“Y”字形。主墩斷面為箱形結(jié)構(gòu)，單肢截面尺寸為：10m（橫向）×4m（縱向），箱壁厚均為0.9m。該橋每個索塔0#塊位置8個支座在縱橫向受力不均。在活載偏載與橫風組合工況，橫向各支座反力差異較大；在中跨活載滿載與溫度升降組合工況，縱橋向塔底兩排支座反力同樣也會相差較大。支座在縱橫向受力不均對采用特殊漸變造型的橋墩及下部結(jié)構(gòu)的受力影響尤其大，因此對橋墩在偏載作用下的受力性能進行分析研究就顯得尤其重要。

二、有限元模型

該橋主墩局部計算采用ANSYS14.5建立有限元模型，模型中共有2396640個節(jié)點、2265754個單元。需要說明的是：模型中，X軸為縱橋向（X正向指向中跨側(cè)），Y軸為豎向（向上為正），Z軸為橫橋向（2、4號支座側(cè)為正向）；應力結(jié)果中均不考慮由于預應力鋼束節(jié)點與混凝土節(jié)點耦合引起的應力集中以及倒角處的應力集中；結(jié)果應力云圖中，橋墩下部約為0m～5m的范圍，橋墩中部約為5m～10m范圍（距離計算以橋墩底部為0m，向上為正）。

三、受力分析

（一）主要計算參數(shù)

分別取工況一：中跨活載滿布（汽車荷載+人群荷載，下同）和工況二：1、3、5、7號支座側(cè)主梁活載全橋滿布（支座編號如圖1所示）兩種荷載工況下主墩支座反力加載到橋墩上進行橋墩受力分析。其中，工況一的支座反力由Midas Civil整體模型中加載計算得到，工況二的支座反力由ANSYS塔梁固結(jié)局部有限元模型計算得到。兩種工況下8個支座的支反力數(shù)值如表1（工況一只考慮縱向偏載的影響，故計算中沒有計入橫風荷載；工況二為考慮橫向偏載的影響，計入橫風對支座反力的影響）所示。

圖1 主墩支座編號示意圖

表1 主墩支座反力表（kN）

（二）計算結(jié)果

根據(jù)橋墩整體和各部分的受力情況建立有限元模型，計算出結(jié)果，將各部分應力結(jié)果總結(jié)于表2，由于不考慮局部地方由于應力集中導致應力超限的影響，結(jié)果中僅給出各部分應力分布平均值。

分析橋墩整體和各部分的受力情況有限元模型及表2可知：主墩基本處于受壓工況一平均壓應力約為7.50MPa，工況二約為6.8MPa；由于中跨偏載（橫向偏載）導致主墩兩個支腿受力(橫向受力)有差別，中跨側(cè)支腿的平均主壓應力約為8.67MPa，邊跨側(cè)支腿約為6.32MPa，偏載側(cè)的約為8.3MPa，未加載側(cè)的約為5.3MPa。

主墩中下部受力較明確，基本處于受壓狀態(tài)，且豎向應力和主壓應力均為中跨側(cè)支腿（偏載側(cè)）大于邊跨側(cè)（未加載側(cè)），其余方向應力基本相同，其中，中跨側(cè)支腿最大主壓應力約為8.67MPa，邊跨側(cè)約為6.32MPa，偏載側(cè)約為8.15MPa，未加載側(cè)約為6.61MPa。

主墩圓弧過渡段受力比較復雜，主壓應力比其他地方小，約為0.75MPa～3.5MPa，在局部區(qū)域出現(xiàn)了約2.0MPa的拉應力，圓弧過渡段中間在橫向（SZ）受力狀況中，局部地方出現(xiàn)了約2.0MPa～4.0MPa的拉應力。

主墩系梁段僅在主壓應力情況下全部處于受壓狀態(tài)，其余情況下均有部分區(qū)域出現(xiàn)拉應力。系梁基本處于受壓狀態(tài)，工況一最大壓應力約為9.0MPa，工況二約8.3MPa。

工況一情況下，由于中跨偏載引起中跨側(cè)橋墩支腿豎向最大位移為5.3mm（向下），邊跨側(cè)橋墩支腿豎向最大位移約為2.9mm（向下），兩側(cè)位移差約為2.4mm。

工況二情況下，由于橫向偏載引起偏載側(cè)（Z軸負向）橋墩豎向最大位移為3.9mm（向下），另一側(cè)（Z軸正向）豎向最大位移約為1.0mm（向下），兩側(cè)位移差約為2.9mm。

四、結(jié)語

主墩基本處于受壓狀態(tài)；主墩圓弧過渡段兩側(cè)受力比較復雜，主壓應力比其他地方小，在局部區(qū)域出現(xiàn)了拉應力；主墩系梁段為整個結(jié)構(gòu)受力最復雜的區(qū)域，系梁基本處于受壓狀態(tài)，工況一最大壓應力約為9.0MPa，工況二約8.3MPa。總體上縱向偏載（中跨活載滿布及主梁中心線一側(cè)活載滿布）對主墩兩個支腿的受力影響不大，因其導致的工況最大主壓應力差別僅2.35MPa，工況二為3.0MPa，其余方向應力基本上沒有差別，主墩滿足受力要求。

主墩圓弧過渡段在以上工況均出現(xiàn)約2.0MPa拉應力。若有必要，在考慮橋墩受力的情況下可考慮適當調(diào)整主墩橫向外側(cè)圓弧段線形。最終設計按結(jié)構(gòu)分析結(jié)果進行了適當調(diào)整，結(jié)構(gòu)受力滿足要求。

表2 工況一、工況二橋墩應力計算結(jié)果（MPa）