張樹清

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司　合肥　230088)

矮塔斜拉橋塔-梁-墩固結(jié)局部分析

張樹清

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司合肥230088)

摘要采用ANSYS 建立矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)區(qū)局部有限元模型，對結(jié)構(gòu)安裝后的最不利工況進行靜力分析。分析了塔梁墩固結(jié)區(qū)混凝土受力，得到其應(yīng)力分布情況，并對塔梁墩固結(jié)區(qū)設(shè)計方案進行綜合評價。

關(guān)鍵詞矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)有限元靜力分析

某橋跨徑布置為120 m+200 m+120 m，全長440 m，為矮塔斜拉橋方案，見圖1。主橋采用塔梁墩固結(jié)結(jié)構(gòu)體系。主梁采用斜腹板單箱3室塔變高度箱梁，主墩采用雙薄壁墩，下部采用承臺及群樁基礎(chǔ)。主塔采用獨柱矩形塔，布置在中央分割帶上，塔高35 m；主塔順橋向長6.0 m，橫橋向?qū)?.5 m，塔上斜拉索理論豎向間距1.0 m，橫向雙排布置，雙排間距0.8 m。

圖1　矮塔斜拉橋總體布置圖(單位：m)

塔梁墩固結(jié)區(qū)屬于構(gòu)件交匯處，其構(gòu)造和應(yīng)力分布都較為復(fù)雜，為研究該區(qū)域應(yīng)力分布狀況，須對該區(qū)域進行詳細的空間分析[1]。由于分布于彈性體上一小塊面積(或體積)內(nèi)的荷載所引起的物體中的應(yīng)力，在離荷載作用區(qū)稍遠的地方，基本上只同荷載的合力和合力矩有關(guān)；荷載的具體分布只影響荷載作用區(qū)附近的應(yīng)力分布。因此，塔梁墩固結(jié)區(qū)域的應(yīng)力分布只與其附近區(qū)域的受力狀態(tài)有關(guān)[2]，可以弱化遠離該區(qū)域構(gòu)件對其的影響。

1有限元模型

全橋整體平面計算結(jié)果只能反映結(jié)構(gòu)整體安全性能，不能反映結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力狀況。根據(jù)全橋整體計算分析結(jié)果，選取整體計算最不利受力工況進行局部分析計算。采用通用有限元軟件ANSYS建立塔梁墩固結(jié)區(qū)的空間仿真計算模型。考慮計算機性能以及結(jié)構(gòu)具有對稱性，為減少計算規(guī)模，選取1/4模型進行分析計算，計算結(jié)果采用ANSYS模型擴展技術(shù)進行處理，有限元模型見圖2。

圖2　塔梁墩空間分析模型

在有限元分析中，真實的邊界條件是很難模擬出來的，只能對其進行一系列假定。邊界條件設(shè)置時與實際結(jié)構(gòu)的近似程度將直接影響到計算的準確性。在盡量考慮模型邊界條件與實際結(jié)構(gòu)近似的同時，對無法準確模擬的邊界條件按偏于安全處理。根據(jù)全橋整體計算情況，提取有限元模型的位移邊界條件和力的邊界條件，然后把其施加在局部分析有限元模型上[3]。局部分析的目的是研究該區(qū)域的應(yīng)力分布情況，在局部分析模型的足夠遠梁端、塔端施加力的邊界條件，在對稱面上施加對稱約束，在橋墩底面約束所有自由度。

2荷載工況

2.1　荷載施加

2.2　計算工況

由于橋梁規(guī)模較大，施工過程復(fù)雜，施工工況很多，針對每個施工工況都進行墩梁固結(jié)局部分析，耗時耗力。在局部分析中結(jié)合整體計算的工況結(jié)果，選取對結(jié)構(gòu)最不利幾個工況進行分析，計算出最不利加載工況橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)，讀取此工況梁端和塔端截面內(nèi)力，以此內(nèi)力作為實體模型荷載邊界條件[5]。從主橋整個施工過程及運營階段荷載組合中選取最不利荷載工況，見表1。共考慮2種荷載工況:工況一，最大雙懸臂狀態(tài)，即邊中跨均未合龍；工況二，正常使用極限狀態(tài)標準組合(彎矩最大)。

表1　各工況下梁端荷載

3結(jié)果分析

對塔-梁-墩進行有限元分析，得到其在所選取最不利工況下的應(yīng)力分布，見圖3、圖4。

圖3工況一：塔梁墩固結(jié)區(qū)箱梁剖視

應(yīng)力云圖(單位：MPa)

由圖3可見，在工況一作用下，塔身承受豎向壓力為主，主壓應(yīng)力在8.4～12.8 MPa之間，在塔柱和箱梁交接圓弧倒角處，出現(xiàn)應(yīng)力集中，局部最大壓應(yīng)力19.349 MPa，應(yīng)力范圍較小且應(yīng)力擴散很快；箱梁底板主壓應(yīng)力在5.5～9.7 MPa之間；箱梁腹板主壓應(yīng)力在8.73～13.41 MPa之間；箱梁頂板主壓應(yīng)力在11.816～16.026 MPa之間，在橫隔板和箱梁頂板交接倒角處局部應(yīng)力集中最大壓應(yīng)力18.131 MPa；箱梁橫隔板人洞倒角處，局部拉應(yīng)力較大，局部最大拉應(yīng)力2.905 MPa；箱梁0號橫梁處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力在2.135～2.929 MPa之間；橋墩處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力在3.455～5.568 MPa之間。

圖4工況二：塔梁墩固結(jié)區(qū)箱梁剖視

應(yīng)力云圖(單位：MPa)

由圖4可見，在工況二作用下，塔身承受豎向壓力為主，主壓應(yīng)力在11.3～14.189 MPa之間，在塔柱和箱梁交接圓弧倒角處，出現(xiàn)應(yīng)力集中，局部最大壓應(yīng)力25.744 MPa，應(yīng)力范圍較小且應(yīng)力擴散很快；箱梁底板主壓應(yīng)力在5.48～10.048 MPa之間；箱梁腹板主壓應(yīng)力在8.525～13.094 MPa之間；箱梁頂板主壓應(yīng)力在11.191～15.181 MPa之間，在橫隔板和箱梁頂板交接倒角處，局部應(yīng)力集中，最大壓應(yīng)力17.184 MPa；箱梁橫隔板人洞倒角處，局部拉應(yīng)力較大，局部最大拉應(yīng)力2.927 MPa；箱梁0號橫梁處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力在2.113～2.901 MPa之間；橋墩處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力在4.965～6.277 MPa之間。

綜上所述，在最不利工況下，塔梁墩固結(jié)區(qū)域最大主拉應(yīng)力2.927 MPa，位于人洞倒角處，最大主壓應(yīng)力25.744 MPa位于塔梁圓弧倒角處。除局部角點應(yīng)力集中和人孔周邊應(yīng)力較大外，其余部位應(yīng)力均小于混凝土抗拉和抗壓強度允許值。

4結(jié)語

三維空間分析能直觀地了解該構(gòu)件應(yīng)力分布情況，繪出該區(qū)域應(yīng)力云圖。計算結(jié)果顯示塔墩梁固結(jié)區(qū)域，在不利荷載工況作用下應(yīng)力滿足規(guī)范要求，承載力強度符合設(shè)計要求。塔梁結(jié)合處及人孔周邊拉應(yīng)力超出規(guī)范要求的混凝土容許拉應(yīng)力，需加強其周邊混凝土鋼筋配置；其余部位箱梁、橋墩應(yīng)力受力均勻，應(yīng)力值均滿足規(guī)范要求。

參考文獻

[1]JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[2]黎耀，鄭凱峰，陳力波.大跨矮塔斜拉橋塔墩梁固結(jié)部位應(yīng)力計算分析[J].廣東公路交通，2007(3):14-17.

收稿日期：2015-06-12

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.05.016