基于有限元法的斜拉桥塔梁墩固结处局部应力分析

2020-06-10夏振庭颜心园施文杰

工程与建设 2020年1期

夏振庭，颜心园，施文杰

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230088)

0 引言

斜拉桥主要是由受拉的斜拉索、受压弯的桥塔、主梁等组成[1]。根据斜拉桥塔梁之间结合方式，斜拉桥又可分为刚构体系、支承体系、塔梁固结体系以及漂浮体系。其中刚构体系在构造上将桥墩、桥塔以及主梁固结起来，刚度大，受荷后变形小，桥梁整体稳定性较高，特别适用于独塔斜拉桥[2]。墩塔梁固结段是斜拉桥整体设计过程中的较为关键部位，由于斜拉桥墩塔梁固结处空间构造较为复杂，且纵、横、竖向预应力管道布置集中，钢筋密集，加上结构受力特征不确定，结构破坏往往又从局部位置开始，所以斜拉桥在做整体受力分析的同时，有必要对其局部应力进行详细研究。目前国内学者对独塔斜拉桥墩塔梁固结处受力特征进行了一些研究。彭桂瀚等[3]对斜拉桥墩塔梁固结区的局部应力进行了研究；燕海蛟等[4]对矮塔斜拉桥墩塔梁固结段受力特征进行了研究；祝培林[5]对双柱式铁路矮塔斜拉桥的墩塔梁固结段的纵、横向应力分布以及横向预应力作用对固结部位横向应力分布的影响进行了研究。黄力等[6]对大跨径斜拉桥塔墩梁固结处空间受力进行了研究。

本文以乐山市桐子浩特大桥的墩塔梁固结段为研究对象，因桥梁规模大，施工过程复杂，施工工况多，针对每个施工工况都进行墩塔梁固结段局部分析是行不通的，因此选取成桥工况和最不利荷载工况，对独塔斜拉桥的墩塔梁固结段进行空间应力分析，以确保桥梁安全，为结构合理配置钢筋提供科学依据。

1 工程概况

乐山市桐子浩特大桥跨江主桥，桥跨布置为(61+119+275)m，为混合梁独塔斜拉桥，墩塔梁固接体系。主桥跨越河道，满足岷江规划Ⅲ级航道通航标准尺度243.11 m×18 m净空的要求。桥跨布置如图1所示。

图1 桥跨布置示意图

2 有限元模型

2.1 节段模型的选取

为了能真实模拟墩塔梁固结段的受力性能，并满足圣维南原理要求[7]，实际建模中结合段主梁分别向两侧各延伸15.0 m，跨过桥塔两侧第一对斜拉索W01和E01，结合段模型中主梁全长30.0 m。主塔柱向上延伸7.0 m，向下延伸到塔根处，副塔柱向上延伸到钢混结合段交界处，如图2所示。在进行有限元计算分析时,固结模型的塔根处，在主梁和塔柱的截断面(A、B、C截面)形成刚域，从总体模型提取相应断面的内力，通过刚臂施加在模型上，作为荷载边界条件。

图2 阶段选取示意图(单位：m)

2.2 局部模型建立

用有限元仿真分析软件MIDAS/FEA建立空间实体单元模型，如图3所示。预应力钢绞线采用程序内置的非协调性网格[8]植入式钢筋单元，钢筋单元的应变通过计算母单元的位移可以得到，通过实体单元切割钢筋单元的方式，自动将钢筋单元的刚度添加到母单元中，同时可考虑预应力损失的效应。

图3 1/2墩塔梁固结段局部模型

2.3 荷载及边界条件

局部模型边界杆端力的提取是准确计算的关键，边界条件是否模拟精确，直接关系到计算结果的准确性[9]。边界模拟是否准确，可通过整体模型与局部模型的6个力素的内力对比反映出来。从整体模型中直接提取的主力组合下未经转换的边界处杆端力，见表1，将表1 中的边界外力加载到局部杆系单元模型中。

表1 两种工况下内力值

3 计算结果及分析

图4～图7为塔梁墩在成桥工况下的主拉及主压应力云图。

图4 墩塔梁固结段有限元模型(单位：MPa)

图5 墩塔梁固结段有限元模型(单位：MPa)

图6 墩塔梁固结段有限元模型(单位：MPa)

图7 墩塔梁固结段有限元模型(单位：MPa)

由图4可知，在成桥工况下，主梁顶板横向压应力范围大部分控制在-8.0～-1.0 MPa，主梁与塔柱相接处局部出现1.0 MPa左右拉应力，但拉应力仅分布在塔柱混凝土表面，主梁与大横梁连接处出现较大拉应力，这是由于主梁截面突然变小的缘故。

由图5可知，在成桥工况下，主梁顶板横向压应力范围控制在-10.0～-1.0 MPa，桥面板整体处于全截面受压状态，主梁与横梁相接处应力比主梁外侧大。

由图6可知，在成桥工况下，横梁外部横桥向应力范围绝大部分控制在-10.0～-1.0 MPa。横梁处于全截面受压状态，横梁与主塔相接部位出现19.0MPa左右的压应力，作用范围较小，且只在混凝土表面，未扩展到横梁内部。

由图7可知，在成桥工况下，塔梁固结处索塔段外部竖向应力范围基本控制在-12.5～-1.0 MPa，桥塔基本处于全截面受压状态。在局部倒角处出现较大压应力，最大值达到-18.0 MPa。从图7中可以看出，在靠近桥塔边跨侧，主塔柱外侧出现拉应力，数值在1.0 MPa附近变化，主要出现在混凝土塔柱表面，未扩展到桥塔内部。