單索面斜拉橋塔梁墩固結段數值模擬分析

胡逸凡,荊國強,沈 東,孫約瀚

(1.溫州市七都大橋北汊橋建設有限公司，溫州 325099；2.中鐵大橋科學研究院有限公司，武漢 430034；3.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室，武漢 430034；4.西南交通大學土木工程學院，成都 610031)

1 概 述

在大跨徑斜拉橋中，根據塔、墩、梁三者之間的關系，可分為漂浮體系、支承體系，塔梁固結體系以及塔梁墩固結體系。其中塔梁墩固結體系在大幅度增加主梁的剛度，減小跨中撓度的同時，省去了支座的設置，從而避免了支座的維護，是斜拉橋中常用的一種結構體系。但由于橋塔處主梁負彎矩較大，受力復雜，固結部位的應力分布與大小往往需要進行重點關注。

余振對一座矮塔斜拉橋的塔梁墩固結部位的應力進行了分析，并提出了相應的改善措施。鄧江濤以一座預應力無渣軌道矮塔斜拉橋為研究對象，建立了ANSYS空間有限元模型，并對模型的正確性進行了驗證，提出了矮塔斜拉橋塔梁墩固結處的加強措施。燕海蛟以一座矮塔斜拉橋的塔梁墩固結區為例，建立了塔墩梁固結區實體模型，并對該區域進行了分析。夏振庭采用有限元法分析了一座單塔斜拉橋的塔梁墩固結區域，確定了應力較不利區域。宋軍采用子模型方法建立了斜拉橋塔梁墩固結段的局部模型，分析了固結部位的應力。

對于單索面斜拉橋，塔梁墩固結區域不僅在縱向上會產生位移，而且由于在固結區域拉索分布于主梁中心附近，因此，在橫向也會產生一定的位移，導致此處的應力比一般的斜拉橋復雜。本文以一座單塔單索面斜拉橋為例，建立了運營階段塔梁墩固結區域的局部模型，將梁單元計算得到的力邊界條件施加于模型上，對固結區域的應力進行了分析，旨在得到其應力分布情況，為同類橋梁的設計提供參考。

2 工程概況

橋梁主跨140 m，邊跨為120 m，為一座單跨單索面單塔斜拉橋。上部主梁采用350 cm的等高度，箱梁截面形式為單箱五室，主梁斷面為350 cm等高度單箱五室斜腹斷面，箱梁頂寬33.5 m，兩側外懸翼緣板寬2.5 m。箱梁頂底板及腹板內均設置縱向預應力鋼束，同時在拉索錨固區內設置箱內橫隔板，在橫隔板內結合受力布置橫向預應力束，在橋墩橫梁處設置橫梁預應力鋼束。橋塔采用640 cm(縱向)×400 cm(橫向)的空心矩形截面，下部主墩為矩形空心墩，邊墩采用實心矩形墩；基礎采用樁基礎，主橋采用墩、塔、梁固結體系。

3 計算模型

3.1 有限元模型

由于全橋尺寸較大，建立全橋實體單元需要的計算時間較長，且本文重點關注的區域為斜拉橋的塔梁墩固結區域，因此，建立了塔梁固結區域的局部模型，根據圣維拉原理，選取的節段需離開關注區域一段距離，最終本文所建立的局部有限元模型見圖1。其中，主梁有限元模型采用solid45單元進行模擬，預應力采用link8單元模擬。斜拉索的索力根據全橋模型中計算的索力換算為荷載施加于局部模型之上。

圖1 塔梁墩固結區域有限元模型

3.2 邊界條件

由于本文采用了局部有限元模型，在模型邊界處需要施加正確的邊界條件才能得到實際的應力。本文的有限元模型邊界條件主要分為力邊界條件和位移條件，在主梁兩端與塔頂部采用力邊界條件，如圖2所示，力的大小根據全橋梁單元模型獲取，主塔底部施加位移邊界條件，將塔底所有自由度約束。

圖2 局部模型力與位移邊界條件示意圖

4 計算結果及分析

4.1 計算工況

根據《公路橋涵設計通用規范》中的第4.1.5～4.1.7中的規定，考慮了恒載、預應力、收縮徐變等荷載，并將以上荷載進行了組合。針對塔梁固結段進行了數值分析，主要目的是確定塔梁墩局部段關鍵截面在荷載作用下的應力范圍，通過對模型的計算及對結果的處理分析，為橋梁運營階段提供參考。本文考慮的荷載工況見表1。

表1 荷載組合

4.2 運營階段計算結果

圖3 工況一主梁應力圖

由3(a)可知，剔除應力集中區域，X方向最大壓應力不超過14.1 MPa。最大拉應力為1.8 MPa，出現在關鍵節段主塔實心處局部區域，區域較小。且最大拉應力出現在主梁實心段，此外主梁腹板也出現一定的拉應力。由3(b)可知，Z方向最大壓應力不超過27.1 MPa，但最大壓應力出現在主塔和主梁交接的拐角處，此處單元變化劇烈，考慮數值計算結果數值奇異，可認為最大壓應力為20.3 MPa。最大拉應力為1 MPa，出現在關鍵節段主塔實心處局部區域。由3(c)與3(d)可知，主梁實心段部分區域出現3.1 MPa主拉應力。第三主應力超過45.1 MPa，超過部分出現范圍較小，考慮數值計算結果數值奇異，可認為主壓應力最大值為12.1 MPa。

由圖4(a)可知，X方向最大壓應力為8.1 MPa。最大拉應力為1.84 MPa，出現在關鍵節段主塔實心處局部區域，可認為除去主塔實心與空心段交接處。圖4(b)可知，Z方向最大壓應力為20.1 MPa，但出現在主塔與主梁交界處。最大拉應力為0.24 MPa，出現在關鍵節段主塔實心處局部區域。

圖4 工況二主梁應力圖

由圖5(a)可知，第一主應力最大處為3.1 MPa，出現在實心段處。圖5(b)給出了1#～7#截面處箱梁頂面的應力路徑圖，由圖中可知，箱梁頂面在1#～7#截面處主拉應力均小于0 MPa。

圖5 工況三主梁應力圖

5 結 論

本文采用有限元方法對一座單索面斜拉橋的塔梁墩固結段進行了模擬，得到了以下結論：

(1)工況一最大拉應力出現在主梁實心段，此外主梁腹板也出現一定的拉應力；工況二最大拉應力出現在關鍵節段主塔實心處局部區域；工況三最大主拉應力出現在實心段處。

(2)根據計算結果，運營階段塔梁固結段節段的主梁腹板、實心段處均出現一定的拉應力。

(3)塔梁固結段在運營階段，主梁腹板、實心段處均出現拉應力，建議對這些區域設置限制裂縫寬度的受拉鋼筋，并改善局部構造，從而控制裂縫發展，提高結構耐久性，此外在施工過程中，應對這些區域進行重點監控。