鋼管混凝土獨(dú)塔斜拉橋塔墩梁結(jié)合段局部受力分析

劉子君，胡成，朱大勇

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利學(xué)院，安徽 合肥，23009)

0 引言

斜拉橋是由承壓的橋塔、受壓彎的梁體與受拉的斜拉索組合起來(lái)的一種結(jié)構(gòu)體系。其結(jié)構(gòu)體系一般分為漂浮體系、支承體系、塔墩固結(jié)體系和剛構(gòu)體系。其中剛構(gòu)體系是指塔柱、橋墩、主梁互為固結(jié)，形成跨度內(nèi)具有多點(diǎn)彈性支承的剛構(gòu)。該結(jié)構(gòu)體系剛度比較大，變形小，主塔部位無(wú)需設(shè)置支座，容易滿足懸臂施工的穩(wěn)定要求。不足之處是主梁固結(jié)處負(fù)彎矩大，索塔承受很大的溫度應(yīng)力及水平地震作用。塔梁墩固結(jié)區(qū)除了承受橋塔傳遞的巨大軸向力和彎矩外，還承受由主梁傳遞而來(lái)的較大軸力、彎矩和剪力，整體受力和構(gòu)造很復(fù)雜。而且此處受梁體內(nèi)的橫隔板、過(guò)人洞等影響，結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力值變化較大，影響結(jié)構(gòu)安全[1-2]。鋼管混凝土原理是相似于橫向配筋，對(duì)管內(nèi)受壓混凝土施加側(cè)向約束，使其三向受壓，延緩了混凝土的縱向開(kāi)裂，鋼管外由于沒(méi)有混凝土保護(hù)層，故能充分發(fā)揮其材料的承載能力。圓形鋼管混凝土柱的強(qiáng)度，在任意方向都是相等的，這對(duì)于抵抗方向不定的地震作用是較為有效的[3]。目前，鋼管混凝土是在斜拉橋橋塔中的應(yīng)用也是比較經(jīng)濟(jì)合理的一種結(jié)構(gòu)形式。

1 工程概況

某淮河大橋主橋采用(100+75)m鋼管混凝土獨(dú)塔斜拉橋，全長(zhǎng)175 m，橋梁整幅布置，橋梁寬度為24.00 m，主橋采用塔、梁、墩固接體系。主塔采用雙柱式，橋面以上塔高為59.91 m，塔柱下段為這兩根順橋向凈距2 m的圓柱形鋼管混凝土。橋塔選用Q345qD鋼，管內(nèi)填充C50微膨脹混凝土。主梁則采用單箱五室斜腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，箱梁頂板寬24.00 m。塔下箱梁梁高為3.90 m，節(jié)段長(zhǎng)10 m，標(biāo)準(zhǔn)段梁高為3.40 m，在塔下兩側(cè)各8.15 m范圍內(nèi)線性過(guò)渡。主梁采用C50混凝土，縱、橫向均張拉預(yù)應(yīng)力。主梁縱向主墩采用梯形空心墩，主墩高16.00 m，主橋立面圖見(jiàn)圖1，圖中尺寸單位為m。

圖1 主橋立面圖

2 有限元模型

2.1 建立模型

全橋結(jié)構(gòu)分析采用有限元分析軟件Midas/Civil建立桿系整體分析模型(見(jiàn)圖2)，模型有168個(gè)單元，220個(gè)節(jié)點(diǎn)。整體分析中主梁、橋墩和主塔均采用梁?jiǎn)卧ⅲ崩鲃t采用桿單元建立。由于主梁在塔墩梁固結(jié)區(qū)處處于負(fù)彎矩區(qū)域范圍，同時(shí)是支點(diǎn)所處位置，根據(jù)該整體有限元分析表明該位置出現(xiàn)了顯著的應(yīng)力變化，考慮到空間桿系整體分析模型只是一個(gè)單梁模型，不能準(zhǔn)確反映其結(jié)構(gòu)的空間受力情況，因此需要建立局部空間有限元模型來(lái)計(jì)算橫橋向受力情況及總體靜力計(jì)算所不能反應(yīng)的空間受力特征。局部應(yīng)力分析采用子結(jié)構(gòu)法，即首先通過(guò)結(jié)構(gòu)整體分析，得到局部結(jié)構(gòu)截面的內(nèi)力。再將要分析的局部區(qū)域隔離出來(lái)，將截面內(nèi)力作為荷載施加在對(duì)應(yīng)的位置處。在采用子結(jié)構(gòu)法對(duì)局部應(yīng)力進(jìn)行分析時(shí)，重要的是確定子結(jié)構(gòu)的尺寸和邊界條件[4]。

圖2 整體MIDAS模型

本文采用有限元分析軟件ANSYS14.5建立獨(dú)塔斜拉橋塔墩梁結(jié)合段局部分析模型。根據(jù)彈性力學(xué)中的圣維南原理[5][6]，可知分布于彈性體上的一小塊面積(體積)內(nèi)的荷載所產(chǎn)生的應(yīng)力，在離荷載作用區(qū)稍遠(yuǎn)處，基本上只與荷載的合力和合力矩有關(guān)。為了便于施加荷載，同時(shí)為了避免邊界效應(yīng)的影響，本橋局部模型截取部分結(jié)合段結(jié)構(gòu)。模型所取范圍:橋塔的計(jì)算高度取梁頂截面以上4.50 m，橋墩則取梁底以下2.50 m，橫橋向取主梁全寬；縱橋向以橋塔中心為對(duì)稱(chēng)點(diǎn)，沿兩側(cè)各取15.80 m，含4道小橫梁和一道塔下橫梁。鋼管和混凝土采用8節(jié)點(diǎn)三維等參單元solid45建立有限元模型，單元形狀以六面體為主，網(wǎng)格劃分采用掃掠劃分。模型中以Z軸為順橋向，Y軸為豎橋向，X軸為橫橋向。混凝土彈性模量3.45×1011N/m2，泊松比為0.20，質(zhì)量密度為 2600 kg/m3，線膨脹系數(shù)為 1.00×10-5。鋼板彈性模量為2.06×1011N/m2，泊松比為0.30，質(zhì)量密度為7850 kg/m3，線膨脹系數(shù)為1.20×10-5.鋼絞線彈性模量取1.95×1011N/m2，公稱(chēng)面積為139×10-6m2，線膨脹系數(shù)為1.20×10-5，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1860 MPa。局部應(yīng)力按照彈性原則來(lái)計(jì)算，局部模型立面尺寸見(jiàn)圖3，圖中尺寸單位為:cm，有限元模型見(jiàn)圖4所示。

圖3 局部模型立面尺寸

圖4ANSYS局部有限元模型

2.2 邊界條件和荷載

邊界條件為墩底固結(jié)，其他部分自由，荷載取在整體模型分析計(jì)算所得的截面內(nèi)力(計(jì)算工況取主梁截面負(fù)彎矩最大)，見(jiàn)表1。

表1 整體分析的截面內(nèi)力

3 局部應(yīng)力分析

對(duì)各特征點(diǎn)應(yīng)力沿著橋跨方向的傳遞分布規(guī)律進(jìn)行分析，其中截面應(yīng)力特征點(diǎn)[8]選取見(jiàn)圖5。

由圖6截面法向應(yīng)力沿橋跨方向的變化曲線可知，截面頂板的法向應(yīng)力值大致在-3.24 MPa～0.38 MPa范圍，其中最大壓應(yīng)力為3.24 MPa，發(fā)生在沿橋跨方向距離橋塔中心向右15.8 m處的2號(hào)特征點(diǎn)位置處；最大拉應(yīng)力為0.38 MPa，發(fā)生在沿橋跨方向距離橋塔中心向右4.5 m處的1號(hào)特征點(diǎn)位置處。其他大部分區(qū)域的壓應(yīng)力變化趨勢(shì)都是從兩端向中間減小，拉應(yīng)力發(fā)生在橋塔中心附近區(qū)域。截面底板法向應(yīng)力值大致分布在-7.84 MPa～0.58 MPa區(qū)間，其最大壓應(yīng)力為7.84 MPa，發(fā)生在沿橋跨方向距離橋塔中心向右4.5 m處的4號(hào)特征點(diǎn)處，即塔墩梁固結(jié)處底部區(qū)域，最大拉應(yīng)力0.58 MPa發(fā)生在沿橋跨方向距離橋塔中心向右0.75 m處的9號(hào)特征點(diǎn)位置處。分析表明混凝土腹板受到了拉應(yīng)力作用，范圍為0.51 MPa～1.09 MPa，其中距離橋中心13.65 m處截面兩端受到的拉應(yīng)力較大一些。混凝土橫隔板受到了壓應(yīng)力的作用，其應(yīng)力范圍為2.10 MPa～1.17 MPa。由《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG 3362－2018)》C50混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為32.4 MPa，軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.65 MPa，比較大小，可知滿足要求。

圖5 箱梁截面應(yīng)力特征點(diǎn)

圖6 截面法向應(yīng)力沿橋跨方向的變化曲線

由圖7第一主應(yīng)力沿橋跨方向的變化曲線可知，頂板主拉應(yīng)力值大致分布在0.02 MPa～3.93 MPa，其中最大主拉應(yīng)力為3.93 MPa，發(fā)生在沿橋跨方向距離橋塔中心向右0.05 m處的1號(hào)特征點(diǎn)位置處(即塔墩梁固結(jié)雙肢塔柱中間的箱梁頂板凸起實(shí)體位置)，此拉應(yīng)力超過(guò)了混凝土抗拉強(qiáng)度2.65 MPa。其他點(diǎn)位的主拉應(yīng)力值變化趨勢(shì)大致是1號(hào)位置＞2號(hào)位置＞5號(hào)位置＞8號(hào)位置，即橫橋向截面位置頂板主拉應(yīng)力分布范圍從中間向兩端減小。而對(duì)于順橋向方向而言，較大主拉應(yīng)力發(fā)生在靠近橋塔中心處，而兩側(cè)較小。底板最大主拉應(yīng)力值為0.61 MPa，發(fā)生在沿橋跨方向距離橋塔中心向左0.75 m處的9號(hào)特征點(diǎn)處，其中橫橋向截面位置的底板主拉應(yīng)力值變化不大。腹板也受到了主拉應(yīng)力作用，其最大主拉應(yīng)力值為1.41 MPa，發(fā)生在沿橋跨方向距離橋塔中心向右9.5 m處。橫隔板受到了主拉應(yīng)力的作用，其最大主拉應(yīng)力值為2.18 MPa，發(fā)生在沿橋跨方向距離橋塔中心向右5 m處。基本滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 第一主應(yīng)力沿橋跨方向的變化曲線

由圖8第三主應(yīng)力沿橋跨方向的變化曲線可知，頂板最大主壓應(yīng)力值為15.77 MPa，發(fā)生在沿橋跨方向距離橋塔中心向右4.5 m處的1號(hào)特征點(diǎn)的塔墩梁固結(jié)處。其中較大主壓應(yīng)力分布在順橋向靠近橋塔中心處和兩端部。底板最大主壓應(yīng)力值為15.76 MPa，發(fā)生在沿橋跨方向距離橋塔中心向右4.5 m處的4號(hào)特征點(diǎn)處。腹板受到了的最大主壓應(yīng)力作值為1.32 MPa，發(fā)生在沿橋跨方向距離橋塔中心向右9.5 m處。橫隔板受到的最大主壓應(yīng)力值為3.59 MPa，發(fā)生在沿橋跨方向距離橋塔中心向右5 m處。由《JTG 3362－2018》橋規(guī)知混凝土的主壓應(yīng)力容許值為≦0.6fck=19.44 MPa，受壓區(qū)混凝土的最大壓應(yīng)力≤0.5fck=16.2 MPa。皆滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

由于斜拉橋塔柱軸向力通過(guò)主梁傳至橋墩這一傳力過(guò)程較復(fù)雜，需要通過(guò)結(jié)構(gòu)的局部精細(xì)化分析來(lái)確定其受力及分布情況，以指導(dǎo)局部構(gòu)造設(shè)計(jì)。分析結(jié)論如下:

圖8 第三主應(yīng)力沿橋跨方向的變化曲線

(1)通過(guò)分析在主梁截面最大負(fù)彎矩狀態(tài)下的墩頂部位的塔墩梁局部模型的應(yīng)力分布情況，表明塔墩梁結(jié)合段的構(gòu)造設(shè)計(jì)基本合理，整體區(qū)域以受壓為主，且壓應(yīng)力滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

(2)塔墩梁固結(jié)段雙肢塔柱中間的箱梁頂板位置局部區(qū)域混凝土的主拉應(yīng)力超標(biāo)，該區(qū)域?qū)儆跇蛄褐醒敕指魩е虚g的凸起實(shí)體部位且范圍很小，建議可在設(shè)計(jì)時(shí)增加鋼筋網(wǎng)片等構(gòu)造措施加以處理，同時(shí)加強(qiáng)該部位的混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。