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        雙主梁寬幅矮塔斜拉橋受力特性淺析

        2021-03-05 06:31:30曹新壘
        工程與建設(shè) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:承載力有限元模型

        曹新壘, 郝 翠

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

        0 引 言

        矮塔斜拉橋兼有連續(xù)梁橋和斜拉橋兩種橋型的特性,其主梁剛度較大,在軸向壓力作用的同時還承載部分彎矩和剪力[1,2],隨著縱向跨徑和主梁橫向?qū)挾鹊脑龃螅臻g應(yīng)力分布不均勻,主梁受力較為復(fù)雜[3,4]。

        本文以在建的某矮塔斜拉橋為工程背景,采用MIDAS計算軟件建立全橋桿系有限元模型,對主梁進行整體受力分析;再通過建立主梁拉索梁段有限元模型,分析在索力作用下寬幅雙主梁的受力特點,驗證橋梁設(shè)計方案的合理性。

        1 工程概況

        在建的某矮塔斜拉橋橋梁總長610.0 m,跨河主橋采用(100+170+100) m預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋,引橋采用8×30 m現(xiàn)澆大箱梁,橋臺采用樁接蓋梁式橋臺。主跨170 m跨越通航水域,主梁采用寬幅混凝土雙主梁,橫橋向?qū)挾葹?1.0 m,其中單箱室寬度為8.5 m,懸臂寬度為5.5 m,雙主梁之間橫梁寬度為13.0 m。

        (1)道路等級:城市主干路。

        (2)設(shè)計車速:60 km/h。

        (3) 主橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面:3.0(人行道)+3.0(非機動車道)+2.5(分隔帶)+11.5(機動車道)+1.0(中分帶)+11.5(機動車道)+2.5(分隔帶)+3.0(非機動車道)+3.0(人行道)=41.0 m。主橋斷面如圖1所示。

        圖1 主橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(單位:cm)

        2 整體計算分析

        2.1 全橋計算模型

        根據(jù)矮塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點,建立全橋空間桿系模型,計算結(jié)構(gòu)在運營階段最不利組合下內(nèi)力、應(yīng)力、位移等,驗算結(jié)構(gòu)的強度和剛度。

        全橋整體靜力分析計算采用有限元軟件MIDAS Civil 2019。主梁及橋塔模擬為梁單元,拉索采用只受拉桁架單元。承臺底部采用固結(jié),塔梁采用剛臂固結(jié)。有限元結(jié)構(gòu)離散模型如圖2所示。

        圖2 整體靜力分析模型圖

        2.2 設(shè)計荷載取值

        (1)恒載。一期恒載包括主梁、主塔、拉索等結(jié)構(gòu)材料自重,均按實際設(shè)計尺寸和數(shù)量取值。二期恒載包括護欄、橋面鋪裝和管線等附屬設(shè)施自重,按照均布力荷載施加于主梁上,荷載取值為218 kN/m。

        (2)活載。城市-A級,按雙向6車道計算;人群荷載及非機動車道荷載按《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》執(zhí)行;汽車制動力按6車道計算。

        (3)溫度荷載。結(jié)合規(guī)范計算體系整體溫度荷載為整體升溫25℃,整體降溫20℃,混凝土主梁上下緣溫差采用非線性梯度溫度14℃、5.5℃、0℃,按照規(guī)范對以上正溫差取0.5倍以后計入負(fù)溫差效應(yīng)。斜拉索與橋塔、主梁之間溫差采用±10℃,索塔左右側(cè)溫差采用±5℃。

        (4)基礎(chǔ)變位:過渡墩及輔助墩基礎(chǔ)沉降0.01 m,主墩基礎(chǔ)沉降0.02 m。

        2.3 主梁計算結(jié)論

        (1)主梁抗彎承載力。主梁抗彎承載力包絡(luò)圖如圖3所示。

        圖3 主梁抗彎承載力包絡(luò)圖 (單位: kN)

        由圖3可見,預(yù)應(yīng)力混凝土主梁抗彎承載能力滿足設(shè)計要求。

        (2)主梁抗剪承載力。主梁抗剪承載力包絡(luò)圖如圖4所示。

        圖4 主梁抗剪承載力包絡(luò)圖 (單位: kN)

        由圖4可見,預(yù)應(yīng)力混凝土主梁抗剪承載力滿足規(guī)范要求。

        3 主梁橫向空間計算分析

        3.1 有限元分析模型

        在索力作用下寬幅雙主梁橫向結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,特建立局部MIDAS FEA有限元模型,建立了節(jié)段主梁的局部分析模型(如圖5、圖6所示)。箱梁采用實體單元模擬,預(yù)應(yīng)力采用鋼筋梁單元模擬。

        圖5 節(jié)段主梁的幾何模型

        圖6 節(jié)段主梁的有限元模型

        3.2 邊界條件及加載荷載

        對橋梁梁段進行局部應(yīng)力分析時,運用圣維南原理,采用空間桿系結(jié)構(gòu)分析和三維實體結(jié)構(gòu)分析相結(jié)合的方法,即把用梁單元進行整體計算所得內(nèi)力和位移作為局部剖面的外力和位移邊界條件的方法,解決求解橋梁局部應(yīng)力和變形狀況問題。根據(jù)圣維南原理,這種處理方式對于距離該力系作用足夠遠(yuǎn)處的受力狀態(tài)將不會產(chǎn)生較大影響。梁端位置受到邊界條件的影響,結(jié)果失真,因此截取不受邊界影響部分對受力結(jié)果進行分析,結(jié)果如圖7~圖12所示。

        圖7 橫梁橫橋向應(yīng)力云圖(單位:MPa)

        圖8 橫梁縱橋向應(yīng)力云圖(單位:MPa)

        圖9 橫梁第一主應(yīng)力云圖(單位:MPa)

        圖10 橫梁第三主應(yīng)力云圖(單位:MPa)

        圖11 橫梁位置剖面橫橋向應(yīng)力云圖(單位:MPa)

        圖12 橫梁位置剖面縱橋向應(yīng)力云圖(單位:MPa)

        3.3 計算結(jié)果及分析

        計算結(jié)果表明,橫橋向最大拉應(yīng)力為2.03 MPa,在箱室人孔角點處會出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象,拉索齒塊區(qū)域應(yīng)力水平較高;豎向最大拉應(yīng)力為2.62 MPa,出現(xiàn)在箱梁人孔拐角處,箱室內(nèi)隔板位置倒角應(yīng)力數(shù)值也較大;在應(yīng)力較高區(qū)域應(yīng)保證剛度過度平順,考慮增設(shè)鋼筋配置。

        4 結(jié)束語

        本文介紹了在建的某矮塔斜拉橋的工程概況,通過建立全橋桿系模型,對全橋在成橋階段結(jié)構(gòu)內(nèi)力和應(yīng)力進行計算分析,驗證了方案的合理性。同時,建立了拉索區(qū)梁段的有限元模型,進行空間有限元分析,分析在索力作用下寬幅雙主梁的受力特點,主梁在倒角、人孔、齒塊等區(qū)域出現(xiàn)了局部的應(yīng)力集中,應(yīng)通過細(xì)化構(gòu)造或通過考慮增設(shè)鋼筋配置可以緩解應(yīng)力集中影響。

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