单索面斜拉桥塔梁墩固结段数值模拟分析

胡逸凡,荆国强,沈 东,孙约瀚

(1.温州市七都大桥北汊桥建设有限公司，温州 325099；2.中铁大桥科学研究院有限公司，武汉 430034；3.桥梁结构健康与安全国家重点实验室，武汉 430034；4.西南交通大学土木工程学院，成都 610031)

1 概 述

在大跨径斜拉桥中，根据塔、墩、梁三者之间的关系，可分为漂浮体系、支承体系，塔梁固结体系以及塔梁墩固结体系。其中塔梁墩固结体系在大幅度增加主梁的刚度，减小跨中挠度的同时，省去了支座的设置，从而避免了支座的维护，是斜拉桥中常用的一种结构体系。但由于桥塔处主梁负弯矩较大，受力复杂，固结部位的应力分布与大小往往需要进行重点关注。

余振对一座矮塔斜拉桥的塔梁墩固结部位的应力进行了分析，并提出了相应的改善措施。邓江涛以一座预应力无渣轨道矮塔斜拉桥为研究对象，建立了ANSYS空间有限元模型，并对模型的正确性进行了验证，提出了矮塔斜拉桥塔梁墩固结处的加强措施。燕海蛟以一座矮塔斜拉桥的塔梁墩固结区为例，建立了塔墩梁固结区实体模型，并对该区域进行了分析。夏振庭采用有限元法分析了一座单塔斜拉桥的塔梁墩固结区域，确定了应力较不利区域。宋军采用子模型方法建立了斜拉桥塔梁墩固结段的局部模型，分析了固结部位的应力。

对于单索面斜拉桥，塔梁墩固结区域不仅在纵向上会产生位移，而且由于在固结区域拉索分布于主梁中心附近，因此，在横向也会产生一定的位移，导致此处的应力比一般的斜拉桥复杂。本文以一座单塔单索面斜拉桥为例，建立了运营阶段塔梁墩固结区域的局部模型，将梁单元计算得到的力边界条件施加于模型上，对固结区域的应力进行了分析，旨在得到其应力分布情况，为同类桥梁的设计提供参考。

2 工程概况

桥梁主跨140 m，边跨为120 m，为一座单跨单索面单塔斜拉桥。上部主梁采用350 cm的等高度，箱梁截面形式为单箱五室，主梁断面为350 cm等高度单箱五室斜腹断面，箱梁顶宽33.5 m，两侧外悬翼缘板宽2.5 m。箱梁顶底板及腹板内均设置纵向预应力钢束，同时在拉索锚固区内设置箱内横隔板，在横隔板内结合受力布置横向预应力束，在桥墩横梁处设置横梁预应力钢束。桥塔采用640 cm(纵向)×400 cm(横向)的空心矩形截面，下部主墩为矩形空心墩，边墩采用实心矩形墩；基础采用桩基础，主桥采用墩、塔、梁固结体系。

3 计算模型

3.1 有限元模型

由于全桥尺寸较大，建立全桥实体单元需要的计算时间较长，且本文重点关注的区域为斜拉桥的塔梁墩固结区域，因此，建立了塔梁固结区域的局部模型，根据圣维拉原理，选取的节段需离开关注区域一段距离，最终本文所建立的局部有限元模型见图1。其中，主梁有限元模型采用solid45单元进行模拟，预应力采用link8单元模拟。斜拉索的索力根据全桥模型中计算的索力换算为荷载施加于局部模型之上。

图1 塔梁墩固结区域有限元模型

3.2 边界条件

由于本文采用了局部有限元模型，在模型边界处需要施加正确的边界条件才能得到实际的应力。本文的有限元模型边界条件主要分为力边界条件和位移条件，在主梁两端与塔顶部采用力边界条件，如图2所示，力的大小根据全桥梁单元模型获取，主塔底部施加位移边界条件，将塔底所有自由度约束。

图2 局部模型力与位移边界条件示意图

4 计算结果及分析

4.1 计算工况

根据《公路桥涵设计通用规范》中的第4.1.5～4.1.7中的规定，考虑了恒载、预应力、收缩徐变等荷载，并将以上荷载进行了组合。针对塔梁固结段进行了数值分析，主要目的是确定塔梁墩局部段关键截面在荷载作用下的应力范围，通过对模型的计算及对结果的处理分析，为桥梁运营阶段提供参考。本文考虑的荷载工况见表1。

表1 荷载组合

4.2 运营阶段计算结果

图3 工况一主梁应力图

由3(a)可知，剔除应力集中区域，X方向最大压应力不超过14.1 MPa。最大拉应力为1.8 MPa，出现在关键节段主塔实心处局部区域，区域较小。且最大拉应力出现在主梁实心段，此外主梁腹板也出现一定的拉应力。由3(b)可知，Z方向最大压应力不超过27.1 MPa，但最大压应力出现在主塔和主梁交接的拐角处，此处单元变化剧烈，考虑数值计算结果数值奇异，可认为最大压应力为20.3 MPa。最大拉应力为1 MPa，出现在关键节段主塔实心处局部区域。由3(c)与3(d)可知，主梁实心段部分区域出现3.1 MPa主拉应力。第三主应力超过45.1 MPa，超过部分出现范围较小，考虑数值计算结果数值奇异，可认为主压应力最大值为12.1 MPa。

由图4(a)可知，X方向最大压应力为8.1 MPa。最大拉应力为1.84 MPa，出现在关键节段主塔实心处局部区域，可认为除去主塔实心与空心段交接处。图4(b)可知，Z方向最大压应力为20.1 MPa，但出现在主塔与主梁交界处。最大拉应力为0.24 MPa，出现在关键节段主塔实心处局部区域。

图4 工况二主梁应力图

由图5(a)可知，第一主应力最大处为3.1 MPa，出现在实心段处。图5(b)给出了1#～7#截面处箱梁顶面的应力路径图，由图中可知，箱梁顶面在1#～7#截面处主拉应力均小于0 MPa。

图5 工况三主梁应力图

5 结 论

本文采用有限元方法对一座单索面斜拉桥的塔梁墩固结段进行了模拟，得到了以下结论：

(1)工况一最大拉应力出现在主梁实心段，此外主梁腹板也出现一定的拉应力；工况二最大拉应力出现在关键节段主塔实心处局部区域；工况三最大主拉应力出现在实心段处。

(2)根据计算结果，运营阶段塔梁固结段节段的主梁腹板、实心段处均出现一定的拉应力。

(3)塔梁固结段在运营阶段，主梁腹板、实心段处均出现拉应力，建议对这些区域设置限制裂缝宽度的受拉钢筋，并改善局部构造，从而控制裂缝发展，提高结构耐久性，此外在施工过程中，应对这些区域进行重点监控。