某三跨混凝土斜拉桥塔梁墩固结段复杂受力分析研究

彭曦

摘要：文章依托某三塔斜拉桥工程背景，根据Midas整体有限元模型分析结果提取局部梁端力，并利用ANSYS有限元分析软件建立了塔梁墩固结段三维实体局部模型，揭示了塔梁墩固结段局部应力分布规律，为结构配筋设计及施工提供指导。分析结果表明：中塔柱中心主梁截面处总体以受压为主，顶板局部位置出现最大1.03 MPa的拉应力;0#块最大主拉应力主要分布于横隔板顶面、横向预应力端部锚固处及人孔两端上下缘;隔板拉应力集中于隔板顶部，逐步延伸至人行洞口上端;该桥总体应力分布合理，结构受力符合要求。

关鍵词：

桥梁工程;ANSYS;斜拉桥;塔梁墩固结段;三向应力

文献标识码：U441+.2-A-38-130-4

0 引言

塔梁墩固结段作为矮塔斜拉桥重要结构，起到了承上启下的关键作用，传递着桥塔、主梁传至桥墩的荷载，其结构受力复杂，在施工及运营过程中容易因局部受力不合理导致破坏，因此，对该部位局部受力规律的研究尤为重要。目前已有诸多学者对塔梁墩固结段局部受力进行了研究，罗宜[1]针对异形斜拉桥塔梁墩固结段位置，建立了空间有限元模型，分析了不同荷载作用下应力的分布情况以及剪力滞效应的特点，分析结果说明，结构几何突变位置应力超过允许值，整体结构受力情况良好;孔祥昆[2]以某低塔双索面预应力混凝土斜拉桥为背景，运用Midas FEA软件建立了有限元模型，分析了塔梁墩固结区域受力情况，表明了结构可通过结构优化来调整受力情况;黄从俊[3]通过建立有限元三维实体模型，针对桥塔穿越开孔箱型主梁结构的方案进行了分析，结果表明，通过调整腹板斜向角度，可加强横梁侧面抗弯能力，从而改善塔梁结构受力;夏振庭[4]借由Midas FEA软件进行建模，选取最不利情况进行了分析，揭示了内部应力分布规律;李春宏[5]基于超宽幅单索面混合梁斜拉桥，建立了塔梁墩固结区有限元分析模型，分析研究了固结区最不利荷载作用下的受力性能;覃耀柳[6]采用ANSYS通用有限元软件建立了塔梁柱固结区分析模型，得出了结构受力状态及应力分布规律，提出对应的优化建议。

本文基于某三塔斜拉桥工程背景，运用Midas软件建立整体模型，提取结构在最不利荷载工况下的局部内力，再采用ANSYS建立塔梁墩固结段三维实体局部模型，对其应力分布规律进行研究，供工程设计及现场施工参考。

1 工程概况

某三塔矮塔斜拉桥，主跨为115 m，中桥塔处为塔梁墩固结，边桥塔处为塔梁固结。主梁采用单箱双室箱形结构，梁高由塔柱位置的3.9 m，以1.8次抛物线逐渐变化到2.0 m。箱室顶板厚45 cm，底板厚25 cm;中腹板厚55 cm，边腹板厚70 cm。主梁采用三向预应力结构，桥塔桥面以上23.5 m。其总体立面布置图如图1所示。

2 有限元模型的建立

2.1 有限元模型概述

根据结构受力特性，现取受力最为复杂的中间桥塔的塔梁墩固结段进行受力分析，考虑结构分析中的圣维南原理[7]，截取中间桥塔的塔梁墩固结段位置支点横梁两侧各21 m的梁体作为本文分析对象，综合桥墩部分产生的影响，塔墩部分选取包括主塔上下方各20 m段进行分析。梁体、桥塔及桥墩混凝土结构均采用solid45实体单元模拟，不考虑普通钢筋作用，根据施工图纸通过solidworks软件建立实体模型，导入ANSYS软件后采用自适应网格进行模型单元划分，拟定单元控制边长为0.5 m。根据实际结构中纵向、横向以及竖向预应力钢束位置，采用link8单元模拟，单元控制长度为0.2 m，钢束与混凝土单元采用约束方程耦合节点自由度，整体模型共划分为419 833个单元。模型中的总体直角坐标系以横桥向为X轴，纵桥向为Z轴，竖向为Y轴。坐标系方向满足右手螺旋法则。具体有限元模型图如图2所示。

图2 有限元模型图

2.2 边界条件及施加荷载

桥墩底端采用固结约束。为准确模拟主梁被截梁段和主塔被截部分对所研究结构的影响，在所建模型梁端的纵梁形心处和塔端截面形心处建立主节点，将对应截面的实际节点与各主节点进行刚性连接，确保作用在主节点上的力能均匀有效地传递到各截面节点上。同时考虑梁端截断钢束的效应，作用在主节点上的力通过上述所建立的Midas整体分析模型来提取结果，所采用工况为边墩支反力最不利工况，提取的节点力有弯矩、剪力和轴力。

局部模型分析采用的荷载包括自重、二期恒载、活载、预应力荷载、最不利车道荷载以及边界荷载。其中自重通过体荷载方式施加，容重取26 kN/m3;二期恒载和活载通过线荷载和面荷载的方式施加在梁体顶面上;预应力荷载通过降温方法施加;边界荷载通过整体模型提取后施加在梁端部节点上。局部模型施加梁端力计算结果如表1所示。

3 分析结果研究

根据上述整体模型中的荷载计算结果施加到局部有限元模型中，分析其主要结构空间受力状态。

3.1 中塔柱中心主梁截面受力分析

依据模型计算结果可知，中塔柱中心主梁（图1中A-A所示截面）截面横桥向与竖桥向拉应力较大值主要集中于截面顶部，纵桥向整体受力情况良好，无拉应力出现，除去预应力锚固处以及人孔处的拉应力，结构以受压为主，且未超过混凝土强度设计值18.5 MPa[8]。具体计算结果如下页图3所示。

3.2 0#块受力分析

0#块作为塔梁墩三者固结位置，考虑到此桥为独塔斜拉桥，其受力结果是否良好决定了桥梁整体安全性。根据下页图4（a）计算结果显示，0#块拉应力主要分布于顶板上表面中心位置以及角部位置，而最大拉应力则出现在0#块底面角部位置，其数值为1.65 MPa，未超过拉应力设计值，但仍需在施工监控中予以关注;而在竖向预应力作用下，腹板附近位置明显受压，顶、底板端部位置是拉应力集中出现的位置，顶板悬臂位置出现了0.54 MPa拉应力，对结构整体受力没有影响，如图4（b）所示;纵桥向整体受力情况较好，底板端位置出现拉应力集中的现象，因此截取边腹板位置结构，如图4（c）所示，隔板整体压应力较小，有受拉趋势，隔板配筋需合理布置，人孔附近则应进行局部加密。

根据材料力学强度理论，对于结构的主拉、压应力也要加以重视。为满足计算要求，现汇总中塔部分0#块主拉、压应力计算结果如图5、图6所示。

由上述应力云图可以看出，最大主拉应力主要分布于横隔板顶面、横向预应力端部锚固处及人孔两端上下缘，最大主拉应力为1.66 MPa，其結果小于抗拉强度设计值。观察0#块主压应力云图可以发现，在桥塔底部与箱梁的连接处附近压应力数值较大，尤其在连接交界位置出现最大主压应力18.8 MPa。

3.3 墩顶隔板受力分析

通过上述分析可知，横隔板位置拉应力分布范围较大，需对墩顶隔板处受力进行单独分析。现将隔板结构计算结果单独提出，相对于纵桥向尺寸，其横桥向以及竖桥向更大，计算结果仅总结轴向及横向应力，如图7所示。

从图7隔板应力云图可以看出，横桥向与竖桥向隔板拉应力分布基本一致，主要集中于隔板顶部，逐步延伸至人行洞口上端，最大拉应力为0.95 MPa，在人行洞口下端倒角附近，局部位置也出现些许拉应力;压应力主要集中于人洞内角部位置，最大压应力值为4.5 MPa，总体分布合理，结构受力符合要求。

4 结语

本文依托某三塔混凝土斜拉桥为工程背景，利用Midas及ANSYS有限元分析软件，建立了塔梁墩固结段局部分析有限元模型，对综合考虑了自重、活载以及预应力等作用下的塔梁墩固结段结构受力规律进行了研究，具体分析结论可总结如下：

（1）中塔柱中心主梁截面处X、Y方向拉应力主要集中在截面顶部，数值较小;而纵桥向在预应力荷载作用下，整体受压，无拉应力出现。

（2）0#块拉应力主要分布于顶板上表面及角部，其最大主拉应力出现在该结构底面角部位置，底板端部出现应力集中现象，但不影响结构整体受力情况。

（3）墩顶隔板拉应力集中于隔板顶部，逐步延伸至人行洞口上端，人行洞口下端倒角附近出现些许拉应力，需在结构设计时进行相应的配筋补强。

参考文献

[1]罗 宜，张华华.异形斜拉桥塔梁结合段应力状态与剪力滞效应研究[J].交通科技，2020（6）：23-26.

[2]孔祥昆.混凝土斜拉桥塔梁固结段有限元分析[J].住宅与房地产，2020（21）：214-215.

[3]黄从俊.超宽混凝土斜拉桥塔梁交接区主梁受力性能分析及优化[J].公路，2020，65（7）：186-189.

[4]夏振庭，颜心园，施文杰.基于有限元法的斜拉桥塔梁墩固结处局部应力分析[J].工程与建设，2020，34（1）：64-66.

[5]李春宏.超宽幅单索面混合梁斜拉桥塔梁固结处受力仿真分析[J].公路，2019，64（7）：169-173.

[6]覃耀柳，李璐杰.矮塔斜拉桥塔梁墩固结区结构仿真分析[J].西部交通科技，2019（6）：82-85.

[7]孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学（第3版）[M].北京：高等教育出版社，1994.

[8]JTG 3362-2018，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

收稿日期：2021-03-20

作者简介：彭 曦（1990—），硕士，工程师，主要从事桥梁健康监测、信息化和桥梁试验检测工作。