超宽幅单索面斜拉桥桥墩受力仿真分析

2019-10-23

中国公路 2019年19期

（广东省长大公路工程有限公司，广东广州 510000）

一、工程背景

广东省清远市北江四桥是一座主跨418m的双塔单索面混合梁斜拉桥，采用塔梁固结、塔墩分离的连续梁受力体系。主塔中心轴线顺桥向两侧共22.1m范围采用预应力混凝土箱梁，其余部分为钢箱梁，钢箱梁与混凝土梁段采用钢-混结合段连接。桥塔采用“水滴流线型”桥塔，两桥塔沿跨中轴线反对称布置，桥面以上主塔全高63m，桥塔为预应力钢筋混凝土结构。为配合塔柱造型，该桥主墩在纵横桥向均采用特殊的渐变造型，纵桥向呈“U”字形，横桥向呈“Y”字形。主墩断面为箱形结构，单肢截面尺寸为：10m（横向）×4m（纵向），箱壁厚均为0.9m。该桥每个索塔0#块位置8个支座在纵横向受力不均。在活载偏载与横风组合工况，横向各支座反力差异较大；在中跨活载满载与温度升降组合工况，纵桥向塔底两排支座反力同样也会相差较大。支座在纵横向受力不均对采用特殊渐变造型的桥墩及下部结构的受力影响尤其大，因此对桥墩在偏载作用下的受力性能进行分析研究就显得尤其重要。

二、有限元模型

该桥主墩局部计算采用ANSYS14.5建立有限元模型，模型中共有2396640个节点、2265754个单元。需要说明的是：模型中，X轴为纵桥向（X正向指向中跨侧），Y轴为竖向（向上为正），Z轴为横桥向（2、4号支座侧为正向）；应力结果中均不考虑由于预应力钢束节点与混凝土节点耦合引起的应力集中以及倒角处的应力集中；结果应力云图中，桥墩下部约为0m～5m的范围，桥墩中部约为5m～10m范围（距离计算以桥墩底部为0m，向上为正）。

三、受力分析

（一）主要计算参数

分别取工况一：中跨活载满布（汽车荷载+人群荷载，下同）和工况二：1、3、5、7号支座侧主梁活载全桥满布（支座编号如图1所示）两种荷载工况下主墩支座反力加载到桥墩上进行桥墩受力分析。其中，工况一的支座反力由Midas Civil整体模型中加载计算得到，工况二的支座反力由ANSYS塔梁固结局部有限元模型计算得到。两种工况下8个支座的支反力数值如表1（工况一只考虑纵向偏载的影响，故计算中没有计入横风荷载；工况二为考虑横向偏载的影响，计入横风对支座反力的影响）所示。

图1 主墩支座编号示意图

表1 主墩支座反力表（kN）

（二）计算结果

根据桥墩整体和各部分的受力情况建立有限元模型，计算出结果，将各部分应力结果总结于表2，由于不考虑局部地方由于应力集中导致应力超限的影响，结果中仅给出各部分应力分布平均值。

分析桥墩整体和各部分的受力情况有限元模型及表2可知：主墩基本处于受压工况一平均压应力约为7.50MPa，工况二约为6.8MPa；由于中跨偏载（横向偏载）导致主墩两个支腿受力(横向受力)有差别，中跨侧支腿的平均主压应力约为8.67MPa，边跨侧支腿约为6.32MPa，偏载侧的约为8.3MPa，未加载侧的约为5.3MPa。

主墩中下部受力较明确，基本处于受压状态，且竖向应力和主压应力均为中跨侧支腿（偏载侧）大于边跨侧（未加载侧），其余方向应力基本相同，其中，中跨侧支腿最大主压应力约为8.67MPa，边跨侧约为6.32MPa，偏载侧约为8.15MPa，未加载侧约为6.61MPa。

主墩圆弧过渡段受力比较复杂，主压应力比其他地方小，约为0.75MPa～3.5MPa，在局部区域出现了约2.0MPa的拉应力，圆弧过渡段中间在横向（SZ）受力状况中，局部地方出现了约2.0MPa～4.0MPa的拉应力。

主墩系梁段仅在主压应力情况下全部处于受压状态，其余情况下均有部分区域出现拉应力。系梁基本处于受压状态，工况一最大压应力约为9.0MPa，工况二约8.3MPa。

工况一情况下，由于中跨偏载引起中跨侧桥墩支腿竖向最大位移为5.3mm（向下），边跨侧桥墩支腿竖向最大位移约为2.9mm（向下），两侧位移差约为2.4mm。

工况二情况下，由于横向偏载引起偏载侧（Z轴负向）桥墩竖向最大位移为3.9mm（向下），另一侧（Z轴正向）竖向最大位移约为1.0mm（向下），两侧位移差约为2.9mm。

四、结语

主墩基本处于受压状态；主墩圆弧过渡段两侧受力比较复杂，主压应力比其他地方小，在局部区域出现了拉应力；主墩系梁段为整个结构受力最复杂的区域，系梁基本处于受压状态，工况一最大压应力约为9.0MPa，工况二约8.3MPa。总体上纵向偏载（中跨活载满布及主梁中心线一侧活载满布）对主墩两个支腿的受力影响不大，因其导致的工况最大主压应力差别仅2.35MPa，工况二为3.0MPa，其余方向应力基本上没有差别，主墩满足受力要求。

主墩圆弧过渡段在以上工况均出现约2.0MPa拉应力。若有必要，在考虑桥墩受力的情况下可考虑适当调整主墩横向外侧圆弧段线形。最终设计按结构分析结果进行了适当调整，结构受力满足要求。