超寬幅單索面斜拉橋橋墩受力仿真分析

（廣東省長大公路工程有限公司，廣東 廣州 510000）

一、工程背景

廣東省清遠市北江四橋是一座主跨418m的雙塔單索面混合梁斜拉橋，采用塔梁固結、塔墩分離的連續梁受力體系。主塔中心軸線順橋向兩側共22.1m范圍采用預應力混凝土箱梁，其余部分為鋼箱梁，鋼箱梁與混凝土梁段采用鋼-混結合段連接。橋塔采用“水滴流線型”橋塔，兩橋塔沿跨中軸線反對稱布置，橋面以上主塔全高63m，橋塔為預應力鋼筋混凝土結構。為配合塔柱造型，該橋主墩在縱橫橋向均采用特殊的漸變造型，縱橋向呈“U”字形，橫橋向呈“Y”字形。主墩斷面為箱形結構，單肢截面尺寸為：10m（橫向）×4m（縱向），箱壁厚均為0.9m。該橋每個索塔0#塊位置8個支座在縱橫向受力不均。在活載偏載與橫風組合工況，橫向各支座反力差異較大；在中跨活載滿載與溫度升降組合工況，縱橋向塔底兩排支座反力同樣也會相差較大。支座在縱橫向受力不均對采用特殊漸變造型的橋墩及下部結構的受力影響尤其大，因此對橋墩在偏載作用下的受力性能進行分析研究就顯得尤其重要。

二、有限元模型

該橋主墩局部計算采用ANSYS14.5建立有限元模型，模型中共有2396640個節點、2265754個單元。需要說明的是：模型中，X軸為縱橋向（X正向指向中跨側），Y軸為豎向（向上為正），Z軸為橫橋向（2、4號支座側為正向）；應力結果中均不考慮由于預應力鋼束節點與混凝土節點耦合引起的應力集中以及倒角處的應力集中；結果應力云圖中，橋墩下部約為0m～5m的范圍，橋墩中部約為5m～10m范圍（距離計算以橋墩底部為0m，向上為正）。

三、受力分析

（一）主要計算參數

分別取工況一：中跨活載滿布（汽車荷載+人群荷載，下同）和工況二：1、3、5、7號支座側主梁活載全橋滿布（支座編號如圖1所示）兩種荷載工況下主墩支座反力加載到橋墩上進行橋墩受力分析。其中，工況一的支座反力由Midas Civil整體模型中加載計算得到，工況二的支座反力由ANSYS塔梁固結局部有限元模型計算得到。兩種工況下8個支座的支反力數值如表1（工況一只考慮縱向偏載的影響，故計算中沒有計入橫風荷載；工況二為考慮橫向偏載的影響，計入橫風對支座反力的影響）所示。

圖1 主墩支座編號示意圖

表1 主墩支座反力表（kN）

（二）計算結果

根據橋墩整體和各部分的受力情況建立有限元模型，計算出結果，將各部分應力結果總結于表2，由于不考慮局部地方由于應力集中導致應力超限的影響，結果中僅給出各部分應力分布平均值。

分析橋墩整體和各部分的受力情況有限元模型及表2可知：主墩基本處于受壓工況一平均壓應力約為7.50MPa，工況二約為6.8MPa；由于中跨偏載（橫向偏載）導致主墩兩個支腿受力(橫向受力)有差別，中跨側支腿的平均主壓應力約為8.67MPa，邊跨側支腿約為6.32MPa，偏載側的約為8.3MPa，未加載側的約為5.3MPa。

主墩中下部受力較明確，基本處于受壓狀態，且豎向應力和主壓應力均為中跨側支腿（偏載側）大于邊跨側（未加載側），其余方向應力基本相同，其中，中跨側支腿最大主壓應力約為8.67MPa，邊跨側約為6.32MPa，偏載側約為8.15MPa，未加載側約為6.61MPa。

主墩圓弧過渡段受力比較復雜，主壓應力比其他地方小，約為0.75MPa～3.5MPa，在局部區域出現了約2.0MPa的拉應力，圓弧過渡段中間在橫向（SZ）受力狀況中，局部地方出現了約2.0MPa～4.0MPa的拉應力。

主墩系梁段僅在主壓應力情況下全部處于受壓狀態，其余情況下均有部分區域出現拉應力。系梁基本處于受壓狀態，工況一最大壓應力約為9.0MPa，工況二約8.3MPa。

工況一情況下，由于中跨偏載引起中跨側橋墩支腿豎向最大位移為5.3mm（向下），邊跨側橋墩支腿豎向最大位移約為2.9mm（向下），兩側位移差約為2.4mm。

工況二情況下，由于橫向偏載引起偏載側（Z軸負向）橋墩豎向最大位移為3.9mm（向下），另一側（Z軸正向）豎向最大位移約為1.0mm（向下），兩側位移差約為2.9mm。

四、結語

主墩基本處于受壓狀態；主墩圓弧過渡段兩側受力比較復雜，主壓應力比其他地方小，在局部區域出現了拉應力；主墩系梁段為整個結構受力最復雜的區域，系梁基本處于受壓狀態，工況一最大壓應力約為9.0MPa，工況二約8.3MPa。總體上縱向偏載（中跨活載滿布及主梁中心線一側活載滿布）對主墩兩個支腿的受力影響不大，因其導致的工況最大主壓應力差別僅2.35MPa，工況二為3.0MPa，其余方向應力基本上沒有差別，主墩滿足受力要求。

主墩圓弧過渡段在以上工況均出現約2.0MPa拉應力。若有必要，在考慮橋墩受力的情況下可考慮適當調整主墩橫向外側圓弧段線形。最終設計按結構分析結果進行了適當調整，結構受力滿足要求。

表2 工況一、工況二橋墩應力計算結果（MPa）