大跨度斜拉桥桥塔及主梁局部受力状态分析★

2021-06-11张超超

山西建筑 2021年12期

张超超

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

1 工程概况

某大跨混凝土斜拉桥采用双塔双索面预应力混凝土结构，孔跨布置为(160+360+160)m，塔梁固结，边、中跨之比为0.444，桥塔为H形索塔。桥梁全宽29.5 m，其中两侧锚索区各2.475 m，主桥各塔均布置为19对索，主桥纵断面位于-1.95%，平曲线为直线。桥型布置详见图1。

主梁采用双边箱断面，顶板全宽29.5 m，中心高3.0 m，桥面板厚0.28 m，桥面板设2%的双向横坡。边箱箱底板宽5.0 m，三角部分宽4.75 m，主梁标准段长度为9.0 m，标准段底板、腹板厚为0.4 m，三角部分底板、顶板厚为0.28 m，在标准段两边箱间不设底板，顶板与腹板及三角区设置1.0 m×0.3 m的倒角，底板与腹板相交处设0.5 m×0.5 m的倒角；横隔板的基本间距是4.5 m，横梁因横向预应力钢束布置要求，跨中段为马蹄形，横梁厚0.3 m。主塔处塔下横梁与主梁采用固结，固结区域顶板、底板、腹板均加厚到0.8 m，斜底板加厚到0.4 m。标准横断面详见图2。

索塔呈H形，由塔墩、下塔柱、下横梁、中塔柱、上横梁、上塔柱组成。3号墩处塔高93.0 m，塔顶标高753.179 m，承台以上塔高为244.5 m；4号墩处塔高93.0 m，塔顶标高746.638 m，承台以上塔高为253.5 m。塔墩采用单箱三室截面，顺桥向尺寸由14 m渐变为17 m，横桥向尺寸为25.0 m，臂厚1.5 m。下塔柱横桥向向内收敛成花瓶型，为(9.337 m～14 m)×(4 m～8.5 m)分离矩形断面，钢筋混凝土结构，塔内设劲性骨架以利于钢筋绑扎及塔柱模板的提升施工，顺桥向壁厚1.2 m，横桥面壁厚1.8 m。中塔柱为(7.0 m～8.86 m)×4 m分离矩形断面，顺桥向壁厚1 m，横桥面壁厚1.2 m。上塔柱锚索区为7.0 m×4.0 m分离矩形断面，顺桥向壁厚1 m，横桥面壁厚1.2 m。索塔设用两道横梁，下横梁为7.2 m×8.5 m，内设横隔，上横梁为 6.4 m×4 m的箱形截面。桥塔构造详见图3。

2 塔梁固结处及0号块与1号块相接处力学性能分析

塔梁固结体系刚度大，稳定性好，承载能力强，是大跨度桥梁常用的约束体系，但塔梁固结处结构复杂，是整个桥梁设计中重要部位之一，需要对此处进行精细化的受力状态分析[1]。

此桥桥塔施工过程中，施工完下横梁塔梁固结处(0号块)后，紧接着施工中塔柱、上横梁和上塔柱，然后再从1号块开始施工主梁，由于中塔柱、上横梁和上塔柱的工程量较大，造成0号块与1号块施工相差180 d左右，时间较长，需要计算分析由于180 d龄期下，0号块与1号块相接处的受力状态[2]。

2.1 计算模型

采用Midas FEA有限元软件建立相应的实体有限元模型，进行数值模拟分析。根据圣维南原理，为了消除模型边界对计算结果精确性的影响，在建立模型时，主梁及上下塔柱建立足够的长度，主梁取0号块和1号块，上塔柱取20 m，下塔柱取全部。为了保证计算的精度，建立模型时模拟了结构所有倒角、横隔板变厚等细节，做到了模型轮廓线与图纸相吻合。划分网格时，对塔梁固结处等受力复杂区域采取网格加密措施。在有限元模型中，混凝土主梁及桥塔采用3D实体单元，视其为均质弹性体，不考虑普通钢筋的影响；斜拉索采用1D线单元。整个有限元模型共包含1 935 452个节点，2 482 981个单元，整体坐标系顺桥向为X轴，横桥向为Y轴，竖向为Z轴。在主塔底部和斜拉索上端节点约束XYZ方向位移、XYZ方向转角。有限元模型详见图4～图6。

2.2 荷载施加

模型的荷载主要包括自重、预应力、斜拉索力、二期恒载、活载、温度梯度荷载、1号块两端内力、上塔柱上端内力和混凝土收缩徐变等。

荷载工况：

1)塔梁固结处。

工况一：自重+预应力+斜拉索力+二期恒载+活载+温度梯度荷载+1号块两端内力+上塔柱上端内力。

2)0号块与1号块相接处。

工况二：自重+预应力+斜拉索力+混凝土收缩徐变。0号块与1号块施工时间相差180 d。

工况三：自重+预应力+斜拉索力，不考虑混凝土收缩徐变。

2.3 计算结果与分析

截取模型中塔梁固结处及0号块与1号块相接处区域进行受力状态结果分析。分别列出在工况一组合作用下塔梁固结处和工况二、工况三组合作用下中跨侧及边跨侧0号块与1号块相接处的最大第一主应力P1和第三主应力P3及横桥向应力σYY和顺桥向应力σXX范围，结果如表1所示。

表1 塔梁固结处及0号块与1号块相接处应力 MPa

由表1可知，塔梁固结处及0号块与1号块相接处的应力状态与整体模型分析的结果吻合良好。

在工况一下，塔梁固结处主拉应力大部分区域小于1.7 MPa，主压应力大部分区域小于11 MPa，在桥塔横梁内部与梁体下部交界处主拉应力较大，在桥塔横梁与梁体上部交界处以及桥塔横梁与梁体下部交界处主压应力较大，但均符合混凝土规范设计要求。在桥塔横梁内部与梁体下部交界处埂塞加大，桥塔横梁与梁体上部交界处以及桥塔横梁与梁体下部交界处加埂塞，可有效减小主拉、主压应力，优化受力状态。

在工况二和工况三下，中跨侧及边跨侧0号块与1号块相接处受力状态良好，主拉应力大部分区域小于1.5 MPa，主压应力大部分区域小于6.2 MPa，整体均满足混凝土规范设计要求。工况二模型所施加的荷载较工况三只增加混凝土的收缩徐变，但在两个工况下，0号块与1号块相接处的最大主拉应力仅相差0.1 MPa，最大主压应力仅相差0.4 MPa，180 d的混凝土收缩徐变对0号块与1号块相接处的受力状态影响较小。

3 中跨主梁力学性能分析

主梁是整个桥梁设计中的重要部位之一，此桥主梁主要分为标准梁段、三角过渡段和塔区梁段，种类较多；同时宽度达到29.5 m，高3.0 m，宽高比较大，对横向刚度的要求较高。由此造成主梁整体受力情况复杂，有必要对主梁的受力状态进行研究[3]。

此桥主梁腹板间的桥面较宽，在宽翼箱形截面梁中，由于剪切变形沿箱梁翼缘板宽度的非均匀分布，引起薄壁远离腹板的翼板纵向位移滞后于近腹板处翼板的纵向位移，导致纵向正应力沿着翼板宽度方向分布不均匀，其间存在着传力的滞后现象。斜拉桥与一般梁式桥结构受力不同，而国内的主梁有效宽度只针对梁式桥。因此，此桥主梁采用实体单元建立空间有限元模型，计算主梁剪力滞效应显得尤为重要[4]。

此桥全桥顺桥向对称，可在顺桥向取1/2进行实体分析；又因1/2全桥的主梁除合龙段和边直段外，主跨和边跨完全对称，受力状态相差不大，故本文对主梁的力学性能分析选取1/2中跨主梁。

3.1 计算模型

采用有限元软件Midas FEA建立1/2中跨主梁有限元模型，包括19对斜拉索。混凝土梁采用3D实体单元，视其为均质弹性体，不考虑普通钢筋的影响；斜拉索采用1D线单元。主梁采用四面体自由划分网格，大小约0.1 m～0.22 m，整个有限元模型共包含389 147个节点，1 184 769个单元。整体坐标系X方向代表纵桥向，Y方向代表横桥向，Z方向代表竖向。

约束模型斜拉索与桥塔连接节点UX,UY,UZ,ROTX,ROTY和ROTZ六个方向自由度，即塔端固接；斜拉索与箱梁锚固块钢垫板共节点连接。节段模型左侧远离塔柱端(中跨主梁1/2处)约束UY,ROTY自由度，右侧近塔端截面约束UX,UY,UZ,ROTX,ROTY和ROTZ六个方向自由度[5]。

有限元模型如图7,图8所示。分别计算1/4(计算截面1)、1/2(计算截面2)和3/4(计算截面3)典型截面附近主梁。

3.2 荷载施加

主梁模型的荷载主要包括自重、预应力、斜拉索力、二期恒载、活载和温度梯度荷载。

荷载工况：

工况一：自重+预应力+斜拉索力+二期恒载+活载+温度梯度荷载。

工况二：温度梯度荷载。

3.3 计算结果与分析

截取模型中主梁1/4(截面1)，1/2(截面2)和3/4(截面3)附近区域进行受力状态结果分析。分别列出在工况一和工况二组合作用下上述三个截面处的最大第一主应力P1和第三主应力P3及横桥向应力σYY和顺桥向应力σXX范围，结果详见表2。

由表2可知，中跨主梁的应力状态与整体模型分析的结果吻合良好。

表2 主梁三处截面应力 MPa

在工况一组合作用下，主梁主拉应力大部分区域小于1.2 MPa，主压应力大部分区域小于9.3 MPa，在顶板与横隔板交界处及过人孔处较大，但均符合混凝土规范设计要求。顶板与横隔板交界处应力较大，是因为此处有横向预应力布置，实际情况此处有钢垫板，应力将进一步减小。加厚横隔板可有效降低过人孔周围的应力，优化受力状态。

在工况二组合作用下，主梁主拉应力和主压应力均较小，受力状态良好，均符合混凝土规范设计要求。