罗志东，谌　楹

(1.广西交通投资集团有限公司，广西　南宁　530022；2.广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西　南宁　530029)



大跨度矮塔斜拉桥塔梁墩固结处局部应力分析

罗志东1，谌楹2

(1.广西交通投资集团有限公司，广西南宁530022；2.广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西南宁530029)

文章以某高速公路上一座主跨270m的矮塔斜拉桥为例，运用有限元分析软件Ansys建立塔梁墩固结处局部实体模型，分析塔梁墩固结处主梁、索塔桥墩以及墩底的应力分布情况，为结构设计提供依据。

大跨度PC矮塔斜拉桥；塔梁墩固结；局部应力分析

0　引言

矮塔斜拉桥亦称部分斜拉桥，是近20年来出现的一种新桥型，它具有较为优越的结构性能、良好的经济指标，有非常大的发展潜力。它的力学行为介于斜拉桥和梁桥之间，是塔、梁、墩及斜拉索组成的组合体系桥。根据塔、梁、墩的不同结合方式，矮塔斜拉桥结构体系可分为塔梁固结、梁底设支座，塔墩固结、塔梁分离，塔梁墩固结等三种形式。本文主要研究塔梁墩固结体系中固结处应力分布，由于固结部位不仅承受桥塔传递的巨大轴向力和弯矩，还承受主梁传递来的较大的竖向力和弯矩。因此，固结处的受力和构造相当复杂。研究塔梁墩固结部位的受力特点及应力分布，对于结构设计具有非常重要的意义。本文运用大型有限元软件ANSYS建立塔墩梁固结部位实体模型，对固结块进行了详细的局部应力分析。

1　工程概况

本文以某高速公路上一座(145+270+145)m双塔单索面PC矮塔斜拉桥为工程实例，该桥目前为国内最大跨径PC矮塔斜拉桥。设计为双向4车道，桥宽28.5 m，梁高4.5～11 m，主塔为柱式塔，塔高44.0 m，全桥共设84根斜拉索，斜拉索梁上间距4 m，主墩采用单箱三室截面，薄壁空心墩，矩形承台接2.2 m钻孔灌注桩基础。主梁为整幅单箱三室直腹板形式，箱梁顶板宽28.5 m，底板宽19.5 m，两侧翼板悬臂长4.5 m。顶板顶面设置2.0%的双向横坡，底板水平。箱梁根部梁高11 m，中跨跨中及边跨现浇梁段梁高4.5 m，梁高及底板厚度均以1.8次抛物线变化。本桥桥型布置图如图1所示，塔梁墩固结处桥梁断面如图2所示。

图1　桥型布置图

图2　塔梁墩固结处横断面图

2　有限元模型的建立

2.1模型选取范围

为使模型的受力状况与实际受力状况接近，根据圣维南原理，模型的选取除塔梁墩固结块外，主梁往两侧延升至距索塔30 m范围(x=-30～+30 m，0#～8#节段)，索塔取至桥面以上20 m，下部结构取至承台底。如图3所示。本部分计算主要关注内容为塔梁墩固结处主梁、索塔桥墩以及墩底的应力分布情况。

图3　有限元实体模型选取范围示意图

2.2有限元模型及网格划分

利用Ansys14.0软件根据结构实际尺寸建立主梁节段实体模型，箱梁混凝土采用Solid185单元模拟，并通过扫略划分六面体单元，总体单元尺寸0.3 m。有限元模型如图4所示。

图4　塔梁墩固结处几何模型图

2.3模型边界条件

(1)位移边界条件：对承台底部固结。

(2)荷载边界条件：首先采用Midas/Civil 2012软件建立有限元模型，对桥梁进行整体受力分析计算，通过提取MIDAS相应工况下全桥杆系模型的内力结果，分别施加到相应的主梁截面和索塔相应截面。通过主梁挠曲和内力结果的比较，使本局部模型和整体模型具有一致的边界条件。

2.4计算考虑的荷载

(1)永久作用：持久状况永久作用，除考虑了主梁、索塔结构的自重、二期恒载、混凝土收缩及徐变作用、预加力等作用外，还考虑了基础变位作用。

(2)可变作用：主要包括汽车荷载和温度作用。其中汽车荷载按公路-Ⅰ级标准取值，横向按6车道加载。

结构温度荷载包括：

结构整体升温25 ℃；整体降温23 ℃；主梁上下缘梯度：正温差+14 ℃～+5.5 ℃～0.0 ℃；反温差-7 ℃～-2.75 ℃～0 ℃；索梁温差±5 ℃。

其中未施加在所建实体模型上和荷载通过梁端和索塔截面内力反应到模型中。

2.5计算荷载组合

根据Midas全桥计算结果，在索塔和主梁截断截面上施加相应的Ansys模型荷载边界条件。考虑到主梁墩底截面和墩底位置是最主要的中心部位，分别是成桥状态、主梁墩顶截面最大负弯矩工况和墩底大弯矩荷载工况。从整体分析模型中截取端部截面的内力结果，见表1。这些内力结果作为荷载边界条件施加在局部分析模型中。

表1　各计算工况所取荷载条件数值表

表1中内力为整体模型中单元坐标系结果，方向为X顺桥向，Y横桥向，Z竖直向上。其中工况二所取荷载组合为：恒载+最不利移动荷载+梯度降温+负制动力+风荷载；工况三所取荷载组合为：恒载+墩底最不利移动荷载+整体降温+梯度降温+索梁温差-10 ℃+正制动力+风荷载。

3　塔梁墩固结部位应力计算分析

对三个工况(成桥阶段、主梁最大负弯矩，墩底最大弯矩)进行分析。本文选取工况二局部应力计算结果详细分析。

3.1主梁应力结果分析

图5　主梁纵向应力图(Pa)

图6　主梁主拉应力图(Pa)

从图5～6可得出，主梁墩顶最不利工况作用下，主梁纵向应力最小值为索塔在主梁内的部分，局部拉应力1.1 MPa；主梁主拉应力最大值发生在中箱腹板边宽度的顶板和底板位置，主拉应力最大值约为3 MPa。

同时，主梁顶板纵向压应力最大值发生在顶板变厚起始位置处，压应力峰值为18.7 MPa，横向应力基本处于受压状态，在温度梯度作用下横向最大拉应力约为3 MPa。腹板纵向压应力最大值在中箱腹板变宽处内侧，压应力峰值为17.1 MPa。腹板竖向拉应力最大值在中箱腹板变宽处外侧，约为1 MPa。底板横向拉应力最大值在中箱底板变厚处远离桥墩1个阶段位置处，局部拉应力峰值为2.1 MPa。除局部应力集中可通过构造进行补强外，主梁各位置处应力情况满足规范要求。

3.2横梁应力结果分析

图7　0#块中心线截面横向应力图(Pa)

图8　0#块中心线截面竖向应力图(Pa)

从图7～8可得出，0#块横梁受力均匀，传力明确。横向基本处于受压状态，局部最大拉应力为1.6 MPa，竖向最大拉应力为0.9 MPa，满足要求。

3.3索塔及下构结果分析

图9　索塔竖向应力图(Pa)

图10　索塔主拉应力图(Pa)

从图9～10可得出，工况二作用下索塔和桥墩竖向均处于受压状态，索塔最大竖向应力为14.63 MPa，塔梁连接处最大竖向应力为13.8 MPa，索塔最大主拉应力为0.2 MPa。由于索塔的竖向力传入，在索塔下部的桥墩上端实心墩位置处，出现了一定的横向拉应力，局部拉应力峰值为3.1 MPa，但范围很小，可加强构造配筋。墩底位置最大主拉应力为1.8 MPa，满足要求。

4　结语

(1)对本工程实例桥梁塔梁墩固结处局部应力分析表明，塔梁墩固结处主梁、索塔和桥墩结构受力均匀，传力明确。通过纵、横、竖三向预应力以及横梁预应力的配置，使结构应力保持在合理范围内。

(2)鉴于本文篇幅所限，仅对工况二作用下的塔梁墩部位进行了应力结果分析。通过对工况一、工况三应力结果进行分析发现，除了作用于模型本身的荷载外，工况一至工况三不同工况下荷载边界条件的施加对塔梁墩固结处的局部应力影响不大。

(3)主梁纵向压应力最大值为20 MPa左右，塔墩梁固结处存在一定的应力集中，局部应力集中处拉应力达到3 MPa，应适当加密钢筋。

(4)为改善应力集中状况，对于顶、底板变厚处及腹板变宽处，应设置倒角或增加配筋。

[1]王伯惠.斜拉桥结构发展和中国经验(上册)[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2]陈小玲.单索面矮塔斜拉桥塔梁墩固结局部应力分析[J].交通科技，2012(1)：4-6.

Local Stress Analysis of Large-span Extra-dosed Cable-stayed Bridge at Tower-beam-pier Consolidation Place

LUO Zhi-dong1，CHEN Ying2

(1.Guangxi Communications Investment Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530022；2.Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

With an extra-dosed cable-stayed bridge with the main span of 270 m in an expressway as the example，this article established the local physical model at tower-beam-pier consolidation place by using the finite element analysis software Ansys，and analyzed the stress distribution situation of main beam，cable-tower piers and pier bottom at tower-beam-pier consolidation place，thereby providing the basis for the structural design.

Large-span PC extra-dosed cable-stayed bridge；Tower-beam-pier consolidation；Local stress analysis

U448.27

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.05.021

1673-4874(2016)05-0078-04

2016-04-28

罗志东(1984—)，工程师，研究方向：高速公路项目建设管理；

谌楹(1982—)，高级工程师，研究方向：公路桥梁勘察设计。