矮塔斜拉桥塔梁墩固结区结构仿真分析

覃耀柳 李璐杰

摘要：文章以一座在建矮塔斜拉桥为依托工程，采用大型通用有限元软件ANSYS建立实体有限元模型，对塔梁墩固结区进行结构仿真分析，得到其内部应力分布规律，评价结构的构造和配筋设计，并提出优化建议。

关键词：矮塔斜拉桥;塔梁墩固结区;ANSYS 有限元;仿真分析

With an extradosed cablestayed bridge under construction as the relying project，this article uses the largescale general finite element software ANSYS to establish a solid finite element model，conducts the structural simulation analysis of tower beam pier consolidation zone，obtains its internal stress distribution law，evaluates the component and rebar design of this structure，and proposes the optimization recommendations.

Extradosed cablestayed bridge;Tower beam pier consolidation zone;ANSYS finite element;Simulation analysis

0 引言

矮塔斜拉桥造型美观，造价经济，跨越能力大，在世界范围内逐渐受到青睐。随着矮塔斜拉桥建设高潮的兴起，对该结构进行更深入的理论分析尤显必要。

本文针对所依托的实际工程，建立全桥空间杆系模型进行整体受力分析，塔梁墩采用空间梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟，通过刚性连接实现塔梁墩

固

结，提取整体分析的结果进行结构配筋设计。然而，整体分析只能反映结构的整体受力状态，不能反映构件的细部应力分布情况。由于塔梁墩固结区构造比较复杂，索塔与主梁、主梁与主墩之间构件的刚度变化较大，容易造成局部应力集中，而这些现象在整体模型中不能得到全面反映。因此，有必要运用有限元软件ANSYS建立实体仿真分析模型，对塔梁墩固结区进行细部分析，发现该区域更真实、更详细的空间应力分布规律，使这些复杂区域的构造和配筋设计更有针对性，保证结构设计的合理性和安全性[1]。

1 工程概况

1.1 桥梁概况

某三跨矮塔斜拉桥，跨径布置为90 m+165 m+90 m，主桥全长345 m（见图1）。主桥为双塔单索面，每个主墩横桥向设置一根独柱式索塔，塔梁墩固结。主梁为预应力混凝土结构箱梁，单箱三室，纵桥向截面高度按1.8次抛物线变化。索塔为带凹形导角的矩形截面，顺桥向变截面，横桥向等宽。主墩采用双薄壁墩，承台群桩基础。支点处梁高6.2 m，跨中梁高3.2 m。梁顶宽度31 m，梁底宽度22 m。主塔横桥向宽2.5 m，顺桥向长塔顶6.0 m，塔底5.0 m，中间4.0 m，梁顶以上塔高22 m。斜拉索采用竖琴式布置，每个主塔设置12对斜拉索，梁上索距4.0 m，塔上索距0.8 m。斜拉索采用37s15.20钢绞线，顺桥向对称于主塔锚固在主梁上，通过分丝管索鞍穿过索塔。

1.2 塔梁墩固结区构造

矮塔斜拉桥塔梁墩固结区构造复杂，主梁通过横梁与主墩、索塔连成一体，构造尺寸见图2～3。

2 有限元模型

2.1 建立有限元模型

本桥有限元模型包括Midas整体分析模型和ANSYS塔梁墩固结区局部分析模型。整体模型主要用于结构的整体验算，并为局部分析模型提供位移和力边界条件;局部分析模型用于对塔梁墩固结区进行细部分析研究。

塔梁墩固结区的应力状态与整个结构的各个部位都是相互关联的，严格来说，要弄清该区域的应力分布，需将全桥划分为三维实体有限元进行空间应力分析，但这样求解代价太大。根据圣维南原理，塔梁墩固结区的应力分布只与其附近区域的受力状态有关，而远离该区域的构件对其应力分布影响很小，可以忽略不计。故在进行实体分析时，仅以塔梁墩固结区附近区域作为研究对象，分析精度是否可以满足工程需要。

整体分析模型中，塔梁墩以及承台、桩基均采用空间梁单元模拟，拉索采用空间桁架单元模拟，塔梁墩之间及斜拉索和主梁、主塔之间通过刚性连接耦合。全桥共离散为1 518个节点，1 523个单元。整体分析模型见图4。

ANSYS局部分析模型中，模拟出主梁0#～3#块、10 m高以下塔柱、双薄壁墩以及在0#～3#块范围内锚固的纵向、横向、竖向预应力筋。塔梁墩混凝土采用solid45单元模拟，预应力筋采用link8单元模拟，采用降温法模拟预应力筋张拉，不考虑普通钢筋，双薄壁墩墩底固结。在塔顶和主梁端部质心位置建立节点，节点采用mass21单元模拟，质心节点与塔、梁端面所有节点之间建立刚性域，从整体模型中提取内力或位移边界条件施加在质心节点上。同时，需对实体模型施加自重及二期恒载。实体模型共离散为116 068个节点，473 949个单元。塔梁墩固结区实体有限元模型及预应力钢束模型见下页图5、图6。

2.2 分析工况及内力提取

根据结构受力特点及相关计算经验，选取三个荷载工况进行局部分析：

工况1：施工阶段最大悬臂。

工况2：运营阶段主梁最大轴力。

工况3：运营阶段主梁最大面内弯矩。

从整体模型中提取上述工况下的主梁和主塔相应截面内力，见表1。

2.3 结果分析

通过对上述三个工况进行局部分析，发现施工阶段最大悬臂状态（工况1）下塔梁墩固结区受力最不利。限于篇幅，本文仅示出最不利工况下的分析结果，见图7～14，应力单位为MPa，拉应力为正，压应力为负。

从分析结果可知，塔梁墩固结区域受力最不利工况出现在施工阶段最大悬臂状态。在该工况下，塔梁墩固结区大部分受力较合理，最大主拉应力多数为0～3.5 MPa，主拉应力的产生以横向、竖向拉应力为主。顺桥向由于预应力钢筋设置较多，拉应力较小，普遍在1 MPa以下。根据局部分析结果，建议固结区采用钢纤维混凝土，通过掺入钢纤维提高混凝土的抗裂性能;同时，建议固结区增加普通钢筋的设置密度，尤其是横向和竖向普通钢筋，以限制裂缝的发展。

此外，分析发现塔梁墩固结区中间箱室与墩顶横梁相交处的主拉应力较大，最大主拉应力为7.5 MPa，主拉应力的产生以横向和竖向拉应力为主。因此，建议加大中间腹板与墩顶横梁相交处的导角设置范围，通过构造措施减小腹板与墩顶横梁之间的刚度差，使腹板内力均匀地传递给墩顶横梁，减小应力集中。同时，该区域的普通钢筋也应适当加密，控制裂缝发展。

3 结语

矮塔斜拉桥塔梁固结区构造复杂，各构件间截面变化大，导致刚度变化大，受力复杂，容易造成应力集中。整体计算模型只能分析结构的整体受力状态，很难求得细部区域的应力分布情况[2]。本文通过采用ANSYS有限元软件建立塔梁墩固结区实体仿真分析模型，發现塔梁墩固结区详细的应力分布规律，对局部应力超限的部位提出构造和配筋上的优化措施，对设计和施工起到很好的指导作用，保证结构安全可靠。

参考文献：

[1]刘小军.矮塔斜拉桥0号块结构细部分析研究[J].山西交通科技，2017（4）：70-73.

[2]燕海蛟，安永日.大跨连续刚构桥0号块空间应力分析[J].公路交通技术，2018，34（2）：37-43.