独塔斜拉桥0号块空间应力分析

唐媛媛,袁帅华

(湖南科技大学 土木工程学院,湖南 湘潭,411201)

独塔斜拉桥0号块空间应力分析

唐媛媛,袁帅华

(湖南科技大学 土木工程学院,湖南 湘潭,411201)

以浙江省湖州市创业大桥为研究背景,运用有限元分析软件分别建立了全桥的整体杆系模型以及0号块主梁节段的空间实体模型。通过实体单元模型分析了最大悬臂阶段及成桥阶段下0号块的空间应力分布情况,并对实体单元与杆系模型的纵向正应力结果进行了对比,得到应力变化规律。计算结果表明该桥0号块整体以受压为主,应力分布比较均匀,满足设计与规范要求。

独塔斜拉桥;实体模型;空间应力分析

独塔斜拉桥0号块从施工初始便承受了很大的荷载,内部布置大量的钢筋和预应力管道,构造复杂,设有厚重的横隔板,边界条件特殊,整个结构空间效应明显,处于复杂的三向受力状态。因此,根据目前常用的平面分析方法很难反映其实际受力情况,须用空间的分析方法才能掌握结构的真实应力状态,从而确保桥梁结构的安全[1–2]。本文通过建立全桥杆系模型和0号块空间实体模型,主要研究施工过程中最大悬臂阶段和成桥阶段0号块的应力变化规律。

1 工程概况

湖州创业大桥主桥为跨径149+100=249 m独塔双索面混凝土主梁斜拉桥,塔、梁、墩固结体系,主跨一跨跨越长湖申运河。索塔采用C50混凝土,横向为“H”形索塔,索塔总高度为83.5 m,桥面以上索塔高度74 m,塔柱中心间距为27.5 m。主梁采用C55混凝土,标准断面采用预应力混凝土双主肋(π形)断面,主梁中心高度2.8 m,主肋中心线处梁高2.545 m,主梁中心高度全桥不变。斜拉索采用平行钢丝成品索,为空间扇形双索面布置,横向略微内倾。全桥共44对索,塔上索距2.15～2.25 m。梁上主跨基本索距6 m,锚跨索间距10×5.25 m+11×3.05 m。主桥立面位于竖曲线R=1 800 m的凸曲线上,前坡为3.0%,后坡为-3.0%。主桥平面大部分位于直线段,仅在锚跨近梁端约15 m范围为缓和曲线,结构中心线与道路中线最大偏差约5 cm,通过悬臂段调节。标准段桥面净宽38 m,设置双向2%横坡。主桥立面如图1所示。

图1 主桥立面布置图(单位:cm)

2 全桥杆系模型的建立

创业大桥全桥有限元模型采用有限元分析软件Midas/Civil 2013建立,模型共包括383个节点,286个单元,其中198个为梁单元,88个为桁架单元。主梁和主塔均采用梁单元进行模拟,斜拉索采用只受拉桁架单元模拟。按照实际施工顺序,全桥共划分为64个施工阶段,主要包括索塔施工、支架浇筑0～1号块以及边跨现浇段、前支点挂篮悬臂浇筑2～7号块、支架浇筑边跨合拢段、悬臂浇筑8～22号块、支架浇筑主跨现浇段、吊架浇筑主跨合拢段、桥面铺装、成桥10年收缩徐变[3]。全桥有限元模型如图2所示,其中所采用的材料及其特性见表1。

图2 全桥有限元计算模型

表1 主要材料特性表

3 空间实体模型的建立

根据圣维南原理,对于需要分析节段的应力分布,只与其附近区域的应力状态有关,而远离该节段区域对其应力分布影响很小。因此,本节所建空间实体模型将取0号块以及与其相邻的1～2号块作为研究对象,索塔取用距桥面以上7.4 m范围及下塔柱范围[4–5]。

创业大桥0号块节段长度为15 m,桥面宽度从43 m过渡到38 m,梁高为2.8 m,断面形式采用的是双主肋断面及单箱3室断面相结合的布置形式,塔墩梁固结。0号块设有5道横隔梁,其中靠近主墩3道横梁厚为0.8 m,另2道厚为0.3 m。1～2号块节段长度均为6.0 m,宽度38 m,梁高2.8 m,断面形式为双主肋断面。主跨方向肋宽从2.0 m逐渐加宽至3.7 m,锚跨方向肋宽从2.5 m逐渐加宽至3.8 m。每节段设有1道横隔梁,厚0.3 m。MB02～AB02节段的构造如图3所示。

图3 MB02～AB02节段构造(单位:cm)

采用有限元空间分析软件Midas/Fea建立MB02～AB02节段实体模型,按照图纸给定高程确定模型坐标原点,以纵桥向为X轴,横桥向为Y轴,桥梁高度方向为Z轴。由于结构形式复杂,为了提升计算结果的精度,采用自定义线播种及填充网格命令建立网格,保证网格均为六面体单元。预应力钢束运用Midas/Fea中特有的植入式钢筋单元进行模拟,根据钢筋的坐标点信息程序生成钢筋线信息,将钢筋的刚度添加到混凝土单元中,钢筋单元与混凝土单元之间完全粘结没有滑移。梁段预应力束包括纵向预应力束及横向预应力束,采用自动网格线命令对钢筋单元网格进行划分[6–8]。

对于MB02～AB02节段空间实体模型,考虑以下3种荷载。① 自重荷载。通过定义自重因子程序会自动考虑。② 预应力荷载。在程序中输入相应钢筋单元的张拉应力。③ 未建出部分传递的内力。从全桥杆系模型中导出最大悬臂阶段、成桥阶段相应截面的内力值(包括弯矩、轴力、剪力)及索塔距桥面7.4 m处的截面轴力值如表2所示。通过在主梁节段前端截面和索塔截面形心处各建立1个主节点,采用刚性连接的方式将截面上其余节点与该节点连接,截面的内力加载于对应的主节点上;拉索拉力通过建立实际大小的拉索锚固块,在锚固块上施加等效内力进行模拟[9–10]。

此外,成桥阶段还需在模型上添加桥面铺装荷载,荷载集度为5.2 kN/m2。边界约束为塔底所有节点进行固结处理[11],刚性连接见图4。

表2 加载内力表

图4 刚性连接图

4 0号块空间应力分析

为了减小边界效应对结构应力的影响,本节只取MB02～AB02节段中的0号块作为分析对象。通过空间实体模型计算,得到2个施工阶段的三向应力图如图5、6所示。

4.1 最大悬臂阶段

由图5(a)可知:0号块纵桥向主梁整体以受压为主,压应力处于-15.5～-0.5 MPa之间,应力跨度较大;在索塔及横隔板局部区域出现拉应力,拉应力不超过2.1 MPa,其中横隔板与主梁相交处拉应力较大,属于应力集中现象。

图5 最大悬臂阶段0号块应力

由图5(b)可知:0号块横桥向由于横向预应力作用,总体还是以受压为主,大部分区域应力处于-8.7～1.7 MPa之间;在索塔与主梁内侧相交处压应力较大,同时由于应力集中,在横向预应力锚固位置出现最大压应力。由图5(c)可知:0号块竖桥向主梁在索塔自重以及斜拉索竖向压力影响下,塔梁相交位置有较大压应力,大部分区域应力分布均匀,处于-7.8～1.8 MPa之间。

4.2 成桥阶段

从图6可以看出,0号块成桥阶段应力分布与最大悬臂阶段相差不大,整体以受压为主,应力分布比较均匀。

图6 成桥阶段0号块应力(单位:MPa)

5 应力对比分析

根据整体空间应力分析结果,纵向应力变化幅度较大,且成桥阶段应力和最大悬臂阶段应力分布变化不大,因此,本节只对成桥阶段实体单元与梁单元的纵向应力进行对比分析。

从实体单元及梁单元模型中分别提取0号块纵向正应力。以图3中0-0截面顶部中心为坐标原点,纵向取离0号块中心线-7.5 m、-3.5 m、-2.8 m、-1.4 m、1.4 m、2.8 m、3.5 m、7.5 m这8个截面作为数据测点。

图7 0号块纵桥向应力曲线(单位:MPa)

由图7可知:实体模型中0号块上缘纵向正应力均为压应力,其中箱形截面应力沿横向呈波浪形分布,在±1.4 m、±2.8 m位置处出现负剪力滞效应,即主肋应力小于两侧应力,而在±3.5 m位置处出现了正剪力滞效应;双主肋截面应力沿横向分布较为均匀,从顶板中心至翼缘板端部应力值呈减小趋势;沿纵向从0号块中心位置向两侧方向,压应力总体呈增大趋势,且沿边跨方向和主跨方向的应力相差不大。0号块下缘纵桥向正应力也均为压应力,沿横向分布比较均匀,沿纵向边跨方向和主跨方向的应力相差不大。

从图7可得成桥阶段0号块实体单元与梁单元上、下缘纵向正应力如表3所示。

由表3可知,梁单元模型中0号块上缘纵向均为压应力,比较梁单元模型与实体模型上缘正应力值可以看出,实体模型的应力平均值与杆系模型的应力值相差较小。梁单元模型中0号块下缘纵向也均为压应力,与实体模型比较,桥塔与0号块相交区域应力相差较大,这是由于梁单元模型中建立的都是双主肋型梁,其余荷载均等效于集中荷载施加,导致截面应力偏大。

表3 0号块纵向应力对比

6 结论

本文采用实体单元模型对最大悬臂阶段和成桥阶段0号块整体空间应力进行分析,并对比成桥阶段杆系模型中的纵向正应力结果,得到如下结论。

(1) 0号块的纵向应力变化幅度较大,整体以受压为主,除横隔板与主梁相交位置产生拉应力,其余区域应力分布较为均匀;横桥向由于横向预应力作用,总体也处于受压状态,在横向预应力锚固位置及横隔板底面位置会出现较大压应力,拉应力主要出现于翼缘板与主肋相交区域;竖桥向除0号块在塔梁相交位置产生较大压应力之外,整体应力变化范围很小,且分布均匀。此外,在成桥阶段与最大悬臂阶段的应力分布相差不大。

(2) 实体模型中0号块上、下缘纵向正应力均为压应力,沿纵向边跨方向和主跨方向的应力值相差不大;其中箱形截面上缘应力沿横向呈波浪形分布,除在塔梁相交处截面主肋顶缘压应力较大,其他截面呈负剪力滞效应,下缘应力沿横向分布比较均匀;双主肋截面上、下缘应力沿横向分布均匀,从对称中心向两侧方向应力值呈减小趋势。

(3) 除桥塔与0号块相交区域应力相差较大,实体模型的纵向正应力平均值与梁单元模型的应力值相差较小。

综上所述,创业大桥0号块整体以受压为主,应力分布比较均匀,满足设计与规范要求。

[1] 贾丽君,肖汝诚,孙斌,等. 大跨度悬索桥的三维应力分析方法[J]. 中国公路学报,2000,13(3):33–35.

[2] 汪劲丰,项贻强. 独塔单索面斜拉桥空间应力状态分析[J]. 铁道标准设计,2005(3):35–38.

[3] 于可鑫. 大跨连续梁桥悬臂施工空间应力分析[D]. 哈尔滨:东北林业大学,2013.

[4] 李博,王立峰,陈新培,等. 矮塔斜拉桥0#块空间应力分析[J]. 中外公路,2014(6):127–130.

[5] 黄江,胡成. 某矮塔斜拉桥0号梁段空间应分析[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版),2012,35(8):1 097–1 100.

[6] 杨霞林,李乔,冉琦山. 斜拉桥双箱单室箱形主梁的空间应力分析[J]. 中国公路学报,2006,19(1):71–74.

[7] 王子强. 矮塔斜拉桥0#块空间应力测试与分析[D]. 哈尔滨:东北林业大学,2014.

[8] 孙开旗. 矮塔斜拉桥箱梁空间效应分析[D]. 合肥:合肥工业大学,2015.

[9] 黄江. 大跨度管桁架承载力及稳定性分析[D]. 合肥:合肥工业大学,2012.

[10] 王立峰,贾艳敏,肖子旺. 龙华松花江特大桥0#块空间应力分析[J]. 中外公路,2011,31(4):113–116.

[11] 葛素娟,李静斌. 水南特大桥主桥0#块局部有限元分析[J]. 公路交通科技(应用技术版),2006(6):118–120.

The single tower cable-stayed bridge 0 block space stress analysis

Tang Yuanyuan,Yuan Shuaihua
(College of Civil Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China)

As an example of Chuangye Bridge in Huzhou of Zhejiang Province,the overall truss model and the space girder segment 0 blocks entity model of bridge is established by applying the finite element analysis software.Through the entity unit model calculation,the largest cantilever stage and 0 block space stress distribution in the bridge stage are analyzed,and the entity unit is compared with the results of the longitudinal normal stress of the truss model,so the stress change rule is obtained. The calculation results show that bridge's 0 block is dominated by pressure,the stress distribution is uniform,and the design and specification are met.

single pylon cable stayed bridge;entity model;spatial stress analysis

U 411.5

A

1672–6146(2017)04–0072–05

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.04.018

唐媛媛,462207307@qq.com。

2017–05–02

国家自然科学基金资助项目(51078197);湖南省高校创新平台开放基金资助项目(09K083)。

(责任编校:江河)