圆环桥塔细部分析

孙书亭，刘 斌

（中国市政工程华北设计研究总院，天津市 300074）

0 引言

桥梁结构最简单最常用的结构分析方法是采用平面杆系的分析方法，对于常规的结构采用杆系模拟结构的计算结果足以满足工程需要，但对于一些复杂的局部构造采用杆系分析不能精确得出内力分布，或者结构不满足杆系假定条件的结构。如斜拉桥的锚固区、桥塔的塔梁固结段、拱桥的拱脚区等。此时应采用板单元或者实体单元模型进行精确分析，以确定结构的应力分布规律。本文对某一圆环塔斜拉桥桥塔截面变化段进行了局部的详细分析。

1 工程概况

桥梁位于某一跨越铁路的互通立交桥主线上，斜拉桥全长180 m，跨径布置为62.5 m+55 m+62.5 m，桥梁为两幅桥面，主梁为现浇预应力混凝土连续箱梁，桥塔为圆环状钢塔。中央分隔带宽13 m，桥面净宽20 m，桥塔位于中央分隔处，桥塔顺桥布置在中央分隔带上，桥塔轴线直径为88 m，塔顶距地面100 m左右。塔身截面为矩形，为增加桥塔的稳定性，在位于桥塔半圆附近塔身一分为二，分成两个截面为6 m×3 m的矩形的塔脚，作为塔身的支撑，塔脚锚固在承台基础内。桥塔立面见图1。

2 塔身细部构造与模型的建立

塔身的正常段截面为6 m×5 m矩形，钢板厚度根据受力分布情况分别采用了25 mm、30 mm等几种形式。在截面变化设置了加强的隔板，隔板钢板的厚度与钢箱梁的顶板厚度一致，均为30 mm。塔脚支撑段截面为6 m×3 m矩形，箱梁顶板与底板及腹板钢板厚度为25 mm，中间设一16 mm的隔板。典型断面见图2、图3。

塔身与塔脚的连接在杆系单元模型里采用固结六个自由度的弹性连接模拟。细部分析采用板单元模拟钢箱梁的顶板、底板、腹板，隔板按照施工图的实际布置方式建立板单元，然后将要分析的部分插入到整体梁单元模型中，以主从节点的方式与杆系塔身单元连接。为精确分析，减小由于板单元的尺寸所引起的误差，板单元的最大尺寸设定为30 cm。其模型见图4。

由于本工程结构的特点，桥塔的内力主要由于恒载所引的，温度及混凝土收缩与徐变所引起的内力较小，只对比分析恒载的效应。

3 对比分析

分析对比杆系单元编号，见图5、图6。

主要对比分析923号单元左端与955号单元的右端的应力值，见图7。

利用软件的梁单元细部分析功能，提取923单元的左端与955号单元右端的应力结果，见表1。

923号单元截面上缘正应力为拉应力66.8 MPa，下缘正应力最大为压应力129.4 MPa，上、下缘范梅塞斯应力分别为69.8 MPa和130.8 MPa，剪应力均为12.3MPa。955号单元上缘左端应力为32.3 MPa，右端应力为82.7 MPa均为拉应力；下缘右端为压应力78.MPa，左端为压应力128.7 MPa，剪应力4个点分别为10.3 MPa、19.1 MPa、10.1 MPa和1.7 MPa，4个点的范梅塞斯应力分别为37 MPa、82.8 MPa、80.4 MPa与128.8 MPa，最大拉应力为截面上缘右端为82.7 MPa，最大压应力为下缘左端128.7 MPa。

图1 桥塔立面与断面图（单位：mm）

图2 塔身典型断面图（单位：mm）

图3 塔脚典型断面图（单位：mm）

图4 分析模型

图5 杆系单元模型

图6 板单元模型图

图7 截面应力点示意图

表1 梁单元应力表

板单元分析结果见图8～图11，为对比方便，分别给出顶板与底板的应力云图。顶板下部单元与1、2号点位对应，底板下部单元与3、4号点位对应。

图8 923号单元底板正应力云图

图9 923号单元顶板正应力云图

图10 923号单元底板范梅塞斯应力云图

图11 923号单元顶板范梅塞斯应力云图

从应力云图结果中得出，正应力在截面上缘左、右端应力为87.4 MPa，比梁单元的66.8 MPa的分析结果稍大一些，截面下缘板单元左端与右端的应力分别为99.6 MPa，比梁单元的129.4 MPa小一些，但其极值点出现在截面变化的部位，即与塔脚相接的部位，此处出现应力集中的现象，主要是因为截面板的厚度变化的缘故。这也说明在一些特殊部位，梁单元不能精确分析应力分布情况，板单元或实体单元按照实际构造进行模拟，能够得出相对准确的结果。范梅塞斯应力顶板与底板应力极值分别为50.9 MPa与87.4 MPa，均比梁单元的结果小。

955号单元应力云图见图12～图15，顶板单元的上部单元与底板单元的上部单元分别与梁单元的1、2和3、4点位相对应。

图12 955号单元顶板正应力云图

图13 955号单元底板正应力云图

图14 955号单元顶板范梅塞斯应力云图

图15 955号单元底板范梅塞斯应力云图

图16 腹板正应力云图

图17 隔板正应力云图

从板单元分析结果得知，在955号单元右端截面顶板的正应力及范梅塞斯应力极值分别为81.7 MPa与71 MPa，梁单元截面对应位置的应力极值分别为82.7 MPa与82.8 MPa，比梁单元的结果略小一些。底板的正应力与范梅塞斯应力极值分别为165.2 MPa和147.4 MPa，梁单元对应位置的应力极值分别为128.7 MPa与128.8 MPa，均比梁单元的结果要大一些。从应力云图应力分布分析，应力极值只在底板与及板相接处一个单元，相邻单元应力急剧下降，为100 MPa左右，因此施工中应尽量减小顶、底板与腹板焊接处的残余应力，以免局应力过高。应力沿塔身向塔脚递减，与梁单元分析结果分布规律一致。腹板与隔板的应力云图见图16、图17。

从腹板应力云图中看出，在腹板与顶板底板相接处的单元应力相对较大，在腹板中性轴附近应力很小，也与梁单元中上下缘的应力分布规很一致，即上、下缘应力较大，靠近中性轴处的应力较小的分布规律一致。从隔板的应力云图中得知，整个隔板应力相对均匀，并且数值也相对较小，只是在与顶底板相接处应力出现峰值，在进行隔板的设计时，可根据构造要求适当减小隔板的钢板厚度。

4 结语

对于结构复杂的桥梁结构除进行必要的杆系模型整体分析外，还应进行板单元或实体单元模型的细部分析，才能准确的把握结构的内力分布，并验证采用的构造措施是否合适，及验证杆系分析结果的准确性，保证结构具有足够的安全性，而且可以根据细部分析的结果进行优化设计，使结构满足经济、安全的最基本的要求。

[1]JTJ025-1986，公路桥涵钢结构及木结构设计规范[S].1986.

[2]GB 50017-2003，钢结构设计规范[S].2003.