余 振

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司; 公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

1 概 述

矮塔斜拉橋以其良好的景觀性及日趨成熟的設(shè)計，應(yīng)用范圍越來越廣。

某工程橋跨布置為(30.96+65+120+65+30.96)m，塔梁墩固結(jié)結(jié)構(gòu)。橋面總寬達(dá)46.0 m，梁高從中支點(diǎn)的5.0 m過渡到跨中的2.8 m。主墩高13.5 m，橋塔高22.9 m，橫橋向橋塔寬度為2.6～3.7 m；順橋向橋塔寬度為3.6～3.8 m，從塔底到塔頂沿兩個方向均呈線性變化。橋塔橫橋向外傾設(shè)計，傾角18°。

橋塔造型美觀新穎，但外傾橋塔根部在外荷載作用下產(chǎn)生的彎矩和軸力不容小覷。塔梁墩固結(jié)段是全橋的關(guān)鍵構(gòu)造節(jié)點(diǎn)，且在橋梁使用過程中塔梁墩固結(jié)段存在著巨大而復(fù)雜的內(nèi)力，加之下部墩高較矮，盡管采用了雙薄壁墩，但剛度依然很大，使得塔梁墩固結(jié)段的受力更為不利，有必要專門對塔梁墩固結(jié)段進(jìn)行精細(xì)化的三維空間有限元仿真分析。

2 建模說明

上部橋塔僅截取錨固區(qū)以下8.0 m長度段；主梁選取橋塔兩側(cè)各16.0 m長度段，共計32.0 m；主墩完全模擬。本文選取足夠長的主梁節(jié)段，計算結(jié)果分析時，不看邊界約束附近的區(qū)域，以下結(jié)果分析時僅針對關(guān)心的區(qū)域(橋塔兩側(cè)各5 m共計10 m的梁段)。

3 模型處理

3.1 邊界條件

在主墩底部固結(jié)約束，在主梁兩端及橋塔頂端施加從整體計算模型中提取的內(nèi)力。

3.2 計算荷載

局部模型的加載方式至關(guān)重要，既要考慮全面又不能重復(fù)。模型節(jié)段上的恒載根據(jù)實(shí)際情況施加?；钶d按照相關(guān)規(guī)范取值，雙向六車道并考慮局部荷載放大系數(shù)。提取整體計算模型中塔梁墩受力最不利荷載工況下結(jié)構(gòu)內(nèi)力，施加于局部模型上。

3.3 計算模型

模型如圖 1所示。

圖1 計算模型

4 計算結(jié)果分析

4.1 主梁計算結(jié)果分析

從圖 2中可以看出，最大順橋向壓應(yīng)力發(fā)生在橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋的錨固位置；最大拉應(yīng)力發(fā)生在主跨側(cè)墩梁固結(jié)位置及主塔正對的主梁腹板外側(cè)。離開塔梁墩固結(jié)段位置之后應(yīng)力衰減較快，應(yīng)力傳遞平穩(wěn)。

圖2 主梁節(jié)段順橋向應(yīng)力分布/kPa

本項(xiàng)目主梁橫向?qū)挾冗_(dá)46.0 m且主梁懸臂達(dá)6.0 m，橫橋向應(yīng)力需特別關(guān)注。從圖 3中可以看出，因設(shè)計中未設(shè)置頂板橫向預(yù)應(yīng)力，導(dǎo)致橫橋向應(yīng)力較大。橫橋向最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力均發(fā)生在懸臂根部上下緣位置，最大壓應(yīng)力為-11.52 MPa，滿足規(guī)范限值要求；最大拉應(yīng)力達(dá)12.313 MPa，后期可通過配置橫向預(yù)應(yīng)力予以解決。另可看出離開塔梁墩固結(jié)段位置之后應(yīng)力分布規(guī)律均類似，但量值減小。

圖3 主梁節(jié)段橫橋向應(yīng)力分布/kPa

從圖 4中可以看出，最大豎向拉應(yīng)力發(fā)生在墩梁固結(jié)位置及橋墩正對的主梁腹板外側(cè)，且個別位置超過規(guī)范限值要求，該位置受力復(fù)雜，承受來自塔、梁、墩的共同作用，需引起足夠重視。

圖4 主梁節(jié)段豎橋向應(yīng)力分布/kPa

4.2 橋塔計算結(jié)果分析

由于左右兩個塔肢計算結(jié)果相近，這里僅列出右塔肢的應(yīng)力分析結(jié)果。如圖 5所示，最大主拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均發(fā)生在塔梁交接位置的角點(diǎn)，塔肢和主梁交接位置的角點(diǎn)受力最不利，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，局部主拉應(yīng)力較大，應(yīng)采取必要的構(gòu)造配筋等措施。

圖5 右塔肢主應(yīng)力分布/kPa

4.3 橋墩計算結(jié)果分析

由于左右兩個橋墩計算結(jié)果相近，這里僅列出右橋墩的應(yīng)力分析結(jié)果。如圖 6所示，最大主拉應(yīng)力發(fā)生在墩梁交接位置的角點(diǎn)，且在主跨側(cè)墩肢的主拉應(yīng)力更為不利；最大主壓應(yīng)力同樣發(fā)生在墩梁交接位置的角點(diǎn)；下部橋墩和主梁交接位置的角點(diǎn)受力最不利，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，局部主拉、主壓應(yīng)力均較大，應(yīng)引起重視并采取必要的構(gòu)造配筋等措施。

圖6 右橋墩主應(yīng)力分布/kPa

5 結(jié) 論

塔梁墩固結(jié)位置受力復(fù)雜，在設(shè)計過程中需給予更大的關(guān)注，采用實(shí)體分析是較好的方法。

通過前文的計算分析，對設(shè)計提出以下優(yōu)化建議：

(1)主梁橋?qū)捄軐捛矣捎趹冶坶L度達(dá)6.0 m又無橫向預(yù)應(yīng)力布置，導(dǎo)致懸臂根部上下緣位置橫橋向應(yīng)力均較大，可通過配置橫向預(yù)應(yīng)力予以解決。

(2)塔梁墩固結(jié)段受力較為復(fù)雜，且最大拉應(yīng)力發(fā)生在主跨側(cè)墩梁固結(jié)位置及主塔正對的主梁腹板外側(cè)，該位置受力復(fù)雜，承受來自塔、梁、墩的共同作用，需引起足夠重視。

(3)塔肢和主梁交接位置的角點(diǎn)受力復(fù)雜，應(yīng)力水平較高，局部主拉應(yīng)力較大，應(yīng)引起重視并采取必要的構(gòu)造配筋等措施。

(4)下部橋墩和主梁交接位置的角點(diǎn)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，局部主拉、主壓應(yīng)力均較大，應(yīng)引起重視并采取必要的構(gòu)造配筋等措施；此外，下部橋墩主跨側(cè)墩肢的受力更為不利，分析認(rèn)為是由于主梁兩端的不平衡力造成，加之墩高較矮，剛度較大的原因，應(yīng)采取必要措施。

對于塔梁墩等局部受力較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，整體分析模型已不能反映真實(shí)的受力狀態(tài)，需要采用更精確的實(shí)體分析方法研究其詳細(xì)的受力狀況，以期為設(shè)計提供更準(zhǔn)確的參考。