某三跨混凝土斜拉橋塔梁墩固結段復雜受力分析研究

彭曦

摘要：文章依托某三塔斜拉橋工程背景，根據Midas整體有限元模型分析結果提取局部梁端力，并利用ANSYS有限元分析軟件建立了塔梁墩固結段三維實體局部模型，揭示了塔梁墩固結段局部應力分布規律，為結構配筋設計及施工提供指導。分析結果表明：中塔柱中心主梁截面處總體以受壓為主，頂板局部位置出現最大1.03 MPa的拉應力;0#塊最大主拉應力主要分布于橫隔板頂面、橫向預應力端部錨固處及人孔兩端上下緣;隔板拉應力集中于隔板頂部，逐步延伸至人行洞口上端;該橋總體應力分布合理，結構受力符合要求。

關鍵詞：

橋梁工程;ANSYS;斜拉橋;塔梁墩固結段;三向應力

文獻標識碼：U441+.2-A-38-130-4

0 引言

塔梁墩固結段作為矮塔斜拉橋重要結構，起到了承上啟下的關鍵作用，傳遞著橋塔、主梁傳至橋墩的荷載，其結構受力復雜，在施工及運營過程中容易因局部受力不合理導致破壞，因此，對該部位局部受力規律的研究尤為重要。目前已有諸多學者對塔梁墩固結段局部受力進行了研究，羅宜[1]針對異形斜拉橋塔梁墩固結段位置，建立了空間有限元模型，分析了不同荷載作用下應力的分布情況以及剪力滯效應的特點，分析結果說明，結構幾何突變位置應力超過允許值，整體結構受力情況良好;孔祥昆[2]以某低塔雙索面預應力混凝土斜拉橋為背景，運用Midas FEA軟件建立了有限元模型，分析了塔梁墩固結區域受力情況，表明了結構可通過結構優化來調整受力情況;黃從俊[3]通過建立有限元三維實體模型，針對橋塔穿越開孔箱型主梁結構的方案進行了分析，結果表明，通過調整腹板斜向角度，可加強橫梁側面抗彎能力，從而改善塔梁結構受力;夏振庭[4]借由Midas FEA軟件進行建模，選取最不利情況進行了分析，揭示了內部應力分布規律;李春宏[5]基于超寬幅單索面混合梁斜拉橋，建立了塔梁墩固結區有限元分析模型，分析研究了固結區最不利荷載作用下的受力性能;覃耀柳[6]采用ANSYS通用有限元軟件建立了塔梁柱固結區分析模型，得出了結構受力狀態及應力分布規律，提出對應的優化建議。

本文基于某三塔斜拉橋工程背景，運用Midas軟件建立整體模型，提取結構在最不利荷載工況下的局部內力，再采用ANSYS建立塔梁墩固結段三維實體局部模型，對其應力分布規律進行研究，供工程設計及現場施工參考。

1 工程概況

某三塔矮塔斜拉橋，主跨為115 m，中橋塔處為塔梁墩固結，邊橋塔處為塔梁固結。主梁采用單箱雙室箱形結構，梁高由塔柱位置的3.9 m，以1.8次拋物線逐漸變化到2.0 m。箱室頂板厚45 cm，底板厚25 cm;中腹板厚55 cm，邊腹板厚70 cm。主梁采用三向預應力結構，橋塔橋面以上23.5 m。其總體立面布置圖如圖1所示。

2 有限元模型的建立

2.1 有限元模型概述

根據結構受力特性，現取受力最為復雜的中間橋塔的塔梁墩固結段進行受力分析，考慮結構分析中的圣維南原理[7]，截取中間橋塔的塔梁墩固結段位置支點橫梁兩側各21 m的梁體作為本文分析對象，綜合橋墩部分產生的影響，塔墩部分選取包括主塔上下方各20 m段進行分析。梁體、橋塔及橋墩混凝土結構均采用solid45實體單元模擬，不考慮普通鋼筋作用，根據施工圖紙通過solidworks軟件建立實體模型，導入ANSYS軟件后采用自適應網格進行模型單元劃分，擬定單元控制邊長為0.5 m。根據實際結構中縱向、橫向以及豎向預應力鋼束位置，采用link8單元模擬，單元控制長度為0.2 m，鋼束與混凝土單元采用約束方程耦合節點自由度，整體模型共劃分為419 833個單元。模型中的總體直角坐標系以橫橋向為X軸，縱橋向為Z軸，豎向為Y軸。坐標系方向滿足右手螺旋法則。具體有限元模型圖如圖2所示。

圖2 有限元模型圖

2.2 邊界條件及施加荷載

橋墩底端采用固結約束。為準確模擬主梁被截梁段和主塔被截部分對所研究結構的影響，在所建模型梁端的縱梁形心處和塔端截面形心處建立主節點，將對應截面的實際節點與各主節點進行剛性連接，確保作用在主節點上的力能均勻有效地傳遞到各截面節點上。同時考慮梁端截斷鋼束的效應，作用在主節點上的力通過上述所建立的Midas整體分析模型來提取結果，所采用工況為邊墩支反力最不利工況，提取的節點力有彎矩、剪力和軸力。

局部模型分析采用的荷載包括自重、二期恒載、活載、預應力荷載、最不利車道荷載以及邊界荷載。其中自重通過體荷載方式施加，容重取26 kN/m3;二期恒載和活載通過線荷載和面荷載的方式施加在梁體頂面上;預應力荷載通過降溫方法施加;邊界荷載通過整體模型提取后施加在梁端部節點上。局部模型施加梁端力計算結果如表1所示。

3 分析結果研究

根據上述整體模型中的荷載計算結果施加到局部有限元模型中，分析其主要結構空間受力狀態。

3.1 中塔柱中心主梁截面受力分析

依據模型計算結果可知，中塔柱中心主梁（圖1中A-A所示截面）截面橫橋向與豎橋向拉應力較大值主要集中于截面頂部，縱橋向整體受力情況良好，無拉應力出現，除去預應力錨固處以及人孔處的拉應力，結構以受壓為主，且未超過混凝土強度設計值18.5 MPa[8]。具體計算結果如下頁圖3所示。

3.2 0#塊受力分析

0#塊作為塔梁墩三者固結位置，考慮到此橋為獨塔斜拉橋，其受力結果是否良好決定了橋梁整體安全性。根據下頁圖4（a）計算結果顯示，0#塊拉應力主要分布于頂板上表面中心位置以及角部位置，而最大拉應力則出現在0#塊底面角部位置，其數值為1.65 MPa，未超過拉應力設計值，但仍需在施工監控中予以關注;而在豎向預應力作用下，腹板附近位置明顯受壓，頂、底板端部位置是拉應力集中出現的位置，頂板懸臂位置出現了0.54 MPa拉應力，對結構整體受力沒有影響，如圖4（b）所示;縱橋向整體受力情況較好，底板端位置出現拉應力集中的現象，因此截取邊腹板位置結構，如圖4（c）所示，隔板整體壓應力較小，有受拉趨勢，隔板配筋需合理布置，人孔附近則應進行局部加密。

根據材料力學強度理論，對于結構的主拉、壓應力也要加以重視。為滿足計算要求，現匯總中塔部分0#塊主拉、壓應力計算結果如圖5、圖6所示。

由上述應力云圖可以看出，最大主拉應力主要分布于橫隔板頂面、橫向預應力端部錨固處及人孔兩端上下緣，最大主拉應力為1.66 MPa，其結果小于抗拉強度設計值。觀察0#塊主壓應力云圖可以發現，在橋塔底部與箱梁的連接處附近壓應力數值較大，尤其在連接交界位置出現最大主壓應力18.8 MPa。

3.3 墩頂隔板受力分析

通過上述分析可知，橫隔板位置拉應力分布范圍較大，需對墩頂隔板處受力進行單獨分析。現將隔板結構計算結果單獨提出，相對于縱橋向尺寸，其橫橋向以及豎橋向更大，計算結果僅總結軸向及橫向應力，如圖7所示。

從圖7隔板應力云圖可以看出，橫橋向與豎橋向隔板拉應力分布基本一致，主要集中于隔板頂部，逐步延伸至人行洞口上端，最大拉應力為0.95 MPa，在人行洞口下端倒角附近，局部位置也出現些許拉應力;壓應力主要集中于人洞內角部位置，最大壓應力值為4.5 MPa，總體分布合理，結構受力符合要求。

4 結語

本文依托某三塔混凝土斜拉橋為工程背景，利用Midas及ANSYS有限元分析軟件，建立了塔梁墩固結段局部分析有限元模型，對綜合考慮了自重、活載以及預應力等作用下的塔梁墩固結段結構受力規律進行了研究，具體分析結論可總結如下：

（1）中塔柱中心主梁截面處X、Y方向拉應力主要集中在截面頂部，數值較小;而縱橋向在預應力荷載作用下，整體受壓，無拉應力出現。

（2）0#塊拉應力主要分布于頂板上表面及角部，其最大主拉應力出現在該結構底面角部位置，底板端部出現應力集中現象，但不影響結構整體受力情況。

（3）墩頂隔板拉應力集中于隔板頂部，逐步延伸至人行洞口上端，人行洞口下端倒角附近出現些許拉應力，需在結構設計時進行相應的配筋補強。

參考文獻

[1]羅 宜，張華華.異形斜拉橋塔梁結合段應力狀態與剪力滯效應研究[J].交通科技，2020（6）：23-26.

[2]孔祥昆.混凝土斜拉橋塔梁固結段有限元分析[J].住宅與房地產，2020（21）：214-215.

[3]黃從俊.超寬混凝土斜拉橋塔梁交接區主梁受力性能分析及優化[J].公路，2020，65（7）：186-189.

[4]夏振庭，顏心園，施文杰.基于有限元法的斜拉橋塔梁墩固結處局部應力分析[J].工程與建設，2020，34（1）：64-66.

[5]李春宏.超寬幅單索面混合梁斜拉橋塔梁固結處受力仿真分析[J].公路，2019，64（7）：169-173.

[6]覃耀柳，李璐杰.矮塔斜拉橋塔梁墩固結區結構仿真分析[J].西部交通科技，2019（6）：82-85.

[7]孫訓方，方孝淑，關來泰.材料力學（第3版）[M].北京：高等教育出版社，1994.

[8]JTG 3362-2018，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

收稿日期：2021-03-20

作者簡介：彭 曦（1990—），碩士，工程師，主要從事橋梁健康監測、信息化和橋梁試驗檢測工作。