矮塔斜拉桥塔-梁-墩固结局部分析

张树清

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司　合肥　230088)

矮塔斜拉桥塔-梁-墩固结局部分析

张树清

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司合肥230088)

摘要采用ANSYS 建立矮塔斜拉桥塔梁墩固结区局部有限元模型，对结构安装后的最不利工况进行静力分析。分析了塔梁墩固结区混凝土受力，得到其应力分布情况，并对塔梁墩固结区设计方案进行综合评价。

关键词矮塔斜拉桥塔梁墩固结有限元静力分析

某桥跨径布置为120 m+200 m+120 m，全长440 m，为矮塔斜拉桥方案，见图1。主桥采用塔梁墩固结结构体系。主梁采用斜腹板单箱3室塔变高度箱梁，主墩采用双薄壁墩，下部采用承台及群桩基础。主塔采用独柱矩形塔，布置在中央分割带上，塔高35 m；主塔顺桥向长6.0 m，横桥向宽2.5 m，塔上斜拉索理论竖向间距1.0 m，横向双排布置，双排间距0.8 m。

图1　矮塔斜拉桥总体布置图(单位：m)

塔梁墩固结区属于构件交汇处，其构造和应力分布都较为复杂，为研究该区域应力分布状况，须对该区域进行详细的空间分析[1]。由于分布于弹性体上一小块面积(或体积)内的荷载所引起的物体中的应力，在离荷载作用区稍远的地方，基本上只同荷载的合力和合力矩有关；荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布。因此，塔梁墩固结区域的应力分布只与其附近区域的受力状态有关[2]，可以弱化远离该区域构件对其的影响。

1有限元模型

全桥整体平面计算结果只能反映结构整体安全性能，不能反映结构局部应力状况。根据全桥整体计算分析结果，选取整体计算最不利受力工况进行局部分析计算。采用通用有限元软件ANSYS建立塔梁墩固结区的空间仿真计算模型。考虑计算机性能以及结构具有对称性，为减少计算规模，选取1/4模型进行分析计算，计算结果采用ANSYS模型扩展技术进行处理，有限元模型见图2。

图2　塔梁墩空间分析模型

在有限元分析中，真实的边界条件是很难模拟出来的，只能对其进行一系列假定。边界条件设置时与实际结构的近似程度将直接影响到计算的准确性。在尽量考虑模型边界条件与实际结构近似的同时，对无法准确模拟的边界条件按偏于安全处理。根据全桥整体计算情况，提取有限元模型的位移边界条件和力的边界条件，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该区域的应力分布情况，在局部分析模型的足够远梁端、塔端施加力的边界条件，在对称面上施加对称约束，在桥墩底面约束所有自由度。

2荷载工况

2.1　荷载施加

2.2　计算工况

由于桥梁规模较大，施工过程复杂，施工工况很多，针对每个施工工况都进行墩梁固结局部分析，耗时耗力。在局部分析中结合整体计算的工况结果，选取对结构最不利几个工况进行分析，计算出最不利加载工况桥梁结构响应，读取此工况梁端和塔端截面内力，以此内力作为实体模型荷载边界条件[5]。从主桥整个施工过程及运营阶段荷载组合中选取最不利荷载工况，见表1。共考虑2种荷载工况:工况一，最大双悬臂状态，即边中跨均未合龙；工况二，正常使用极限状态标准组合(弯矩最大)。

表1　各工况下梁端荷载

3结果分析

对塔-梁-墩进行有限元分析，得到其在所选取最不利工况下的应力分布，见图3、图4。

图3工况一：塔梁墩固结区箱梁剖视

应力云图(单位：MPa)

由图3可见，在工况一作用下，塔身承受竖向压力为主，主压应力在8.4～12.8 MPa之间，在塔柱和箱梁交接圆弧倒角处，出现应力集中，局部最大压应力19.349 MPa，应力范围较小且应力扩散很快；箱梁底板主压应力在5.5～9.7 MPa之间；箱梁腹板主压应力在8.73～13.41 MPa之间；箱梁顶板主压应力在11.816～16.026 MPa之间，在横隔板和箱梁顶板交接倒角处局部应力集中最大压应力18.131 MPa；箱梁横隔板人洞倒角处，局部拉应力较大，局部最大拉应力2.905 MPa；箱梁0号横梁处于受压状态，压应力在2.135～2.929 MPa之间；桥墩处于受压状态，压应力在3.455～5.568 MPa之间。

图4工况二：塔梁墩固结区箱梁剖视

应力云图(单位：MPa)

由图4可见，在工况二作用下，塔身承受竖向压力为主，主压应力在11.3～14.189 MPa之间，在塔柱和箱梁交接圆弧倒角处，出现应力集中，局部最大压应力25.744 MPa，应力范围较小且应力扩散很快；箱梁底板主压应力在5.48～10.048 MPa之间；箱梁腹板主压应力在8.525～13.094 MPa之间；箱梁顶板主压应力在11.191～15.181 MPa之间，在横隔板和箱梁顶板交接倒角处，局部应力集中，最大压应力17.184 MPa；箱梁横隔板人洞倒角处，局部拉应力较大，局部最大拉应力2.927 MPa；箱梁0号横梁处于受压状态，压应力在2.113～2.901 MPa之间；桥墩处于受压状态，压应力在4.965～6.277 MPa之间。

综上所述，在最不利工况下，塔梁墩固结区域最大主拉应力2.927 MPa，位于人洞倒角处，最大主压应力25.744 MPa位于塔梁圆弧倒角处。除局部角点应力集中和人孔周边应力较大外，其余部位应力均小于混凝土抗拉和抗压强度允许值。

4结语

三维空间分析能直观地了解该构件应力分布情况，绘出该区域应力云图。计算结果显示塔墩梁固结区域，在不利荷载工况作用下应力满足规范要求，承载力强度符合设计要求。塔梁结合处及人孔周边拉应力超出规范要求的混凝土容许拉应力，需加强其周边混凝土钢筋配置；其余部位箱梁、桥墩应力受力均匀，应力值均满足规范要求。

参考文献

[1]JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[2]黎耀，郑凯峰，陈力波.大跨矮塔斜拉桥塔墩梁固结部位应力计算分析[J].广东公路交通，2007(3):14-17.

收稿日期：2015-06-12

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.05.016