某矮塔斜拉桥0号梁段空间应力分析

2012-03-07黄江，胡成

合肥工业大学学报（自然科学版） 2012年8期

黄江，胡成

（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009）

预应力混凝土矮塔斜拉桥通常采用墩梁固结形式，在结构中0号梁段处于主梁、桥塔及下部桥墩的连接处，空间形状通常较为复杂，且处于三向受力状态［1－2］。对这种复杂的三向受力构件，一般的计算分析已不能满足设计要求，必须进行专项和详细的空间有限元受力分析，以揭示该区域的受力特性和应力分布规律，为施工图设计提供指导性依据［3］。

某秋浦河大桥主桥是一座矮塔斜拉桥，采用双塔单索面三跨、塔梁固结结构体系，跨径为（80＋140＋80）m，塔高23.5m。主桥的主墩采用门型桥墩，桥墩横向宽度18m，顺桥向宽度6m。主梁为双箱四室截面，跨中梁高2.68m，桥塔处梁高4.68m，从1号块到跨中采用2次抛物线变化。主梁采用纵横双向预应力体系。1／2 0－0橫断面，如图1所示。桥梁结构立面图如图2所示，0号梁段纵剖面如图3所示，图中尺寸单位为cm。

图1 1／2 0－0横断面图

图2 某秋浦河大桥主桥立面

图3 0号梁段纵剖面图

1 有限元模型及加载

据圣维南原理，等效力系在等效区域近处应力分布不同，但在离开等效区域稍远处应力分布一致。因此，只对需具体分析的0号梁段及其附近结构采用实体单元建模，模型的位移和荷载等边界条件可从整体纵向模型计算分析结果中提取［4－8］。

1.1 有限元模型

0号梁段空间应力分析采用有限元通用软件ANSYS进行。计算模型中，混凝土采用10节点四面体solid92单元来模拟，预应力束采用link8单元模拟，预应力钢束单元和混凝土单元之间采用节点耦合法处理。整个模型采用自由网格划分，在预应力束与混凝土结合处以及箱梁梗掖处，加密单元网格。混凝土单元离散图如图4所示，顶板横向预应力及横隔板横向预应力单元如图5所示，模型中以x轴为顺桥向，y轴为竖向，z轴为横桥向。

计算模型共有309 800个单元，454 310个节点。

图4 单元离散图

图5 横向预应力单元图

1.2 计算荷载

根据静力等效原则，0号块模型计算荷载包括模型的自重、计算模型范围内的全部横向预应力、根据常用杆系程序分析得到的主梁两端内力、塔上距梁顶面9m（塔上锚固点最低的1号拉索）处的内力。通过常用杆系有限元分析可得主梁1－1截面内力：轴力N1＝4.66×105kN，剪力Q＝4.08×104kN，弯矩M＝8.61×104kN·m（梁顶受拉）。主塔3－3截面内力（弯矩、剪力均很小，忽略不计）：轴力N3＝7.61×104kN。上述内力均是在结构考虑自重、二期恒载、纵向预应力、汽车荷载、温度组合作用下的最大内力值。

模型中采用如下加载模式：据静力等效原理，主梁1－1截面上的轴力N1、剪力Q及弯矩M可等效为2－2截面上的轴力N1和剪力Q，其中1－1截面与2－2截面之间的距离L＝M／Q，即在1－1截面与2－2截面之间建立虚拟梁段（虚拟梁段仍按照设计梁段建模），此虚拟梁段不考虑重力；竖向剪力Q按腹板均匀承担原则，加载至2－2截面腹板上，轴力N1按全截面均匀承担原则换算成等效应力，加载至2－2截面上；主塔3－3截面轴力N3按全截面均匀承担原则换算成等效应力加载。加载示意图如图6所示（单位为cm），此种加载模式概念明确，加载简单，并且可以消除局部加载引起圣维南效应的影响［5］。

图6 模型的位移和荷载边界条件

2 计算结果分析

基于以上ANSYS空间实体模型，对各特征点应力沿桥跨方向的传递趋势进行分析，截面应力特征点如图7所示（单位为cm）。

图7 截面应力特征点

2.1 纵向应力分析

0号梁段截面法向应力主要是由主梁轴力及其剪力引起的，各特征点法向应力计算结果如图8所示。

0号梁段的法向应力分布具有如下特点：

（1）除局部外，整个0号梁段纵向处于受压状态。顶板法向应力值在－25.0～1.2MPa范围内；底板法向应力值在－35.0～1.2MPa范围内，F点距塔中心0.8m出现了1.2MPa的拉应力，此处位于主塔正下方的支座边缘，是应力集中导致的，且此处附近局部压应力比较大，最大达到－35.0MPa；腹板上基本处于受压状态且较均匀，压应力值在－15.1～－5.2MPa范围内。

（2）横隔板基本处于受压状态，法向压应力值在－15.4～－1.9MPa范围内。