中央索面混凝土斜拉橋單箱五室超寬主梁的局部應力分析＊

曾 勇 黃 康 王茂強 譚紅梅

（重慶交通大學 （橋梁）結構工程重點實驗室1） 重慶 400074）

（重慶交通大學土木建筑學院2） 重慶400074） （中交公路規劃設計院有限公司3） 北京 100088）

隨著人們對橋梁景觀要求的不斷提高，近年來我國設計出一系列造型新穎的混凝土斜拉橋.由于橋梁造型的需要，景觀橋梁結構的構造和受力往往非常復雜，傳力機理不明確、應力集中等問題突出［1］.在傳統的橋梁結構有限元計算分析中，通常采用“魚骨”形模型來模擬主梁，該模型由于簡化模擬了橋面系結構，無法考慮主梁的細部構造（如變截面問題、畸變、橫隔板的作用等）不能真實反映，更不能分析錨板處的局部應力集中效應［2－3］.采用傳統的桿梁模型和設計規范的簡化計算方法難以準確地分析結構受力［4－5］.

本文以正在施工中的潮連西江大橋為例，采用大型有限元分析軟件Ansys建立空間實體模型對其塔梁段主梁進行了靜力分析，解決了常規設計中難以分析縱、橫隔板應力分布、錨固區傳力機理及聯結系受力等問題.

1 工程背景

潮連西江大橋為50m＋120m＋320m＋120m＋50m的雙塔中央索面預應力混凝土斜拉橋，全長660m，采用半漂浮體系，主梁為雙向（縱向及橫向）預應力混凝土結構.

主梁采用大懸臂單箱5室預應力混凝土主梁，橫隔梁間距6m，在有索區與斜拉索對應布置.箱梁寬：頂板40.8m，底板寬21.6m.梁高：箱梁中心線處為4.0m.箱梁頂板厚度：中間室的橋面板厚50cm，其他4個室的橋面板厚28cm.箱梁腹板厚度：邊腹板厚25cm，中腹板厚35cm.底板、斜底板厚度：底板及斜底板厚26cm；在靠近索塔無索區適當加厚.見圖1、圖2.

2 計算模型

2.1 有限元力學模型簡化

首先采用MIDAS／Civil的空間桿系模型對大橋進行整體受力分析計算，再利用Ansys對塔墩梁固結部位建立精細子模型，進行空間有限元分析，得到相關區域詳細的應力分布情況.這樣離固結部位取了足夠的長度，可以排除圣維南效應對塔墩梁固結部位受力的影響.

圖2 主梁一般構造（單位：cm）

為避免邊界效應影響，同時又便于施加荷載，所取計算模型范圍如下：橫橋向取主梁半橋寬：縱橋向以橋塔中心為對稱點，沿兩側各取80.5m（合計161m），建立實體模型，見圖3.

圖3 主梁的局部實體模型

在Ansys模型中考慮斜拉索的錨板的空間位置和縱、橫隔板的人孔，以求更接近實際結構，見圖4.在劃分單元時，在這些應力集中的部位進行局部加密.

圖4 縱、橫隔板的人孔

2.2 邊界條件

在邊跨側梁端約束全部，塔梁相交地方按支座約束（約束豎向和橫橋向）.

2.3 計算載荷

在Ansys建模中，采用8節點的solid65實體單元建模模擬主梁；采用單向受拉的Link10單元模擬預應力鋼筋，預應力鋼筋的張拉力用初應變考慮，預應力損失按20%考慮；采用Surf154單元模擬二期恒載及橋面鋪裝的自重.拉索的索力按作用在錨板上均布力考慮.車道荷載按《公路橋梁設計通用規范》施加，按8車道施加荷載，考慮偏載、橫向及縱向折減效應.

2.4 材料特性

主梁C55混凝土的彈性模量E＝3.5×104MPa，泊松比μ＝0.2，密度ρ＝2 600kg／m3.

高強預應力鋼絞線的彈性模量E＝2.06×105MPa，泊松比μ＝0.3，密度ρ＝7 850kg／m3.

2.5 計算工況

每種工況下施加各自對應的中跨側的斜拉索索力，以及對應的中跨側梁端的軸力、剪力、彎矩，以及對應的車道荷載，以及預應力荷載.

分析工況為：塔梁相交段軸力N最大時對應的荷載工況.

3 計算結果

首先采用MIDAS／Civil計算所得的2個工況下計算模型主梁兩端、塔端的軸力、剪力、彎矩，然后轉化為分布面力和節點荷載，施加于端面處.具體的方法是：對于彎矩和軸力，將其轉化為分布面力；對于剪力，求出端部每個單元形心處的剪應力T，由于單元劃分很小，可以認為該單元面上的剪應力為單元面形心處的剪應力；最后求出該單元面上承受的剪力，將其平均分配到組成該面的節點上.

計算梁端的整體豎向位移見圖5，在該工況下梁端最大豎向位移為2cm.

圖5 塔梁段整體豎向位移／m

塔梁段結構的整體主壓應力見圖6.較大的壓應力主要位于支座和截面變化的頂板與腹板處，最大的壓應力達到20.4MPa.原因之一就是此處截面有突變，且靠近根部.由于支座處的應力集中現象和根部的截面突變，塔梁相交處應力較大，且應力分布復雜.此處是配筋和受力分析的關鍵部位.塔梁段結構的整體主拉應力見圖7，較大的拉應力主要位于支座處，最大的拉應力達到2.4MPa，主要是由支座處的應力集中引起的，但是在實際結構中由于此處布置有普通鋼筋，能夠滿足受力要求.

圖6 塔梁相交處主壓應力／Pa

圖7 塔梁相交處主拉應力／Pa

錨塊處的主拉、壓應力見圖8～9.由于錨塊處的拉索錨固的影響，錨下主壓應力較大，同時引起周圍的主壓應力較大.最大的主拉應力是出現在錨固下側與縱隔板相交處，是局部應力集中.

中縱隔板的豎向受力情況見圖10.除去人孔豎向邊附加的應力集中，中縱隔板豎向應力都在容許的范圍內.人孔的拉應力集中區域，從左到右逐漸增多.

圖8 第一個錨塊的主壓應力／Pa

圖9 第一個錨塊的主壓應力／Pa

圖10 中縱隔板豎向應力／Pa

中縱隔板的豎向受力情況見圖11.人孔豎向邊附近有應力集中，見圖中深色區域.此處應力區域應加強配筋.

圖11 中縱隔板縱向應力／Pa

邊縱隔板的縱向受力情況見圖12.邊縱隔板有部分區域的應力超過15MPa，圖中深色部分.由于橫隔板的作用，邊縱隔板與橫隔板相交的區域的剛度有所加強，應力也有所緩和.

圖12 中縱隔板縱向應力／Pa

4 結 論

針對西江大橋的塔梁段的主梁建立了三維實體有限元計算模型，分析了橋塔處主梁的塔梁相交段在軸力N最大的荷載工況下受力情況.從分析計算結果看，主梁基本滿足性能要求.具體結論如下.

1）對于塔梁相交處的主梁，較大的壓應力主要由支座處和截面變化處，在頂板、腹板有部分區域的壓應力超過了17MPa.原因之一就是此處截面有突變，且靠近根部，受力復雜.此處是配筋和分析的關鍵部位.

2）對于第一個錨塊，由于錨塊處的拉索錨固的影響，錨下應力較大，同時引起周圍的拉、壓應力較大.

3）對于橋塔附近縱隔板的受力情況（中縱隔板），人孔的拉應力集中區域從左到右逐漸增多.中縱隔板還有大部分的Z方向應力超過規定值.此處應力區域應加強配筋.

4）對于橋塔附近縱隔板的受力情況（邊縱隔板），邊縱隔板X和Y方向應力都在容許的范圍內.由于橫隔板的作用，邊縱隔板與橫隔板相交的區域的剛度有所加強，應力有所緩和.

5）通過計算發現，預應力張拉處，拉索錨塊，支座，塔梁相交處，縱、橫隔板的人孔等位置屬于應力集中區域.此些應力區域應加強配筋或采取構造措施，減少應力集中，提高結構的安全性.

［1］畢桂平，魏紅一，范立礎.鄂黃長江公路大橋斜拉橋主塔應力仿真分析［J］.結構工程師，2001（2）：8－12.

［2］上官萍，房貞政，卓衛東.塔梁墩固結斜拉橋結構受力分析［J］.福州大學學報：自然科學版，1999（3）：19－22.

［3］張立明.Algor、Ansys在橋梁工程中的應用方法與實例［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［4］王曉明，郝憲武，段瑞芳.斜拉橋塔梁固接處的空間應力分析［J］.湖南交通科技，2007，33（1）：84－88.

［5］虞廬松，朱東生.部分斜拉橋塔梁墩固結點局部應力分析［J］.橋梁建設，2008（1）：54－57.