人字形斜拉橋塔中塔柱精細化分析及優化

胡智敏

(廣東省建筑設計研究院,廣東 廣州 510010)

1 項目概況

某獨塔斜拉橋主橋為(160+85+35)m三跨獨塔雙索面預應力混凝土梁斜拉橋，全長280 m(圖1)。采用塔墩梁固結體系，邊墩和輔助墩墩頂設置盆式橡膠支座。

圖1 全橋布置圖 (單位：cm)

主橋上部結構采用扁平箱形預應力混凝土主梁，箱梁采用C55混凝土。箱梁全寬42.0 m，單箱三室(圖2)。

圖2 箱梁截面圖 (單位：cm)

主塔采用空間索面的鉆石型結構，橋面標高以上塔高83.96 m，橋面以下高度13.11 m，橋面以上塔的高跨比為1/1.906。主塔分為上、中、下塔柱三部分。其中，上塔柱高32.05 m，中塔柱高51.91 m，下塔柱高13.11 m。上塔柱豎直；中塔柱橫向斜率為1∶0.311 7；下塔柱橫向外側豎直，內側斜率為1∶0.192 7。

主塔采用矩形截面，斷面四個角點處倒半徑為0.6 m的圓弧。上塔柱截面尺寸為6.6 m×7.0 m(橫橋向×順橋向)，壁厚1.5 m；中塔柱截面尺寸為4.0 m×7.0 m，壁厚1.2 m。下塔柱截面尺寸為4.0 m×7.0 m～7.0 m×10.0 m，壁厚1.2～1.8 m。

2 上中塔柱節點局部分析

2.1 局部分析的目的及方法

全橋的整體計算采用空間有限元軟件MIDAS Civil進行，但在整體計算模型中，上中塔柱之間橋塔分枝處采用剛性連接模擬，不能反映實際結構的真實受力狀態；另外，整體模型中不能考慮塔柱中環向預應力的影響。由于這兩點原因，需對上中塔柱之間這一段橋塔進行局部分析，探討該處真實的應力分布狀態。

局部分析采用直接建模法進行，根據塔柱的實際尺寸及構造建立實體有限元模型，并考慮斜拉索錨墊板、斜拉索孔洞的影響。將整體模型中取出隔離體的內力邊界條件施加至局部模型上，從而保證局部模型能真實的反映上中塔柱之間真實的受力狀態。

2.2 上中塔柱假設模擬

采用ANSYS建立局部有限元分析模型，如圖3所示，研究上、中塔柱之間結合部位的應力分布。混凝土單元和斜拉索錨塊采用Solid95實體單元模擬，預應力鋼束采用Link8桿單元模擬。局部模型計算范圍上塔柱段截取長度為9.049 m，中塔柱段截取長度為7.774 m，上、中塔柱之間長12.8 m，局部模型合計長29.623 m。局部模型采用四面體單元劃分，共計273 060個單元，407 450個節點，如圖4所示。預應力鋼束按實際位置考慮，如圖5所示。

圖3 有限元模型

圖4 局部模型截取范圍示意圖(單位:cm)

圖5 環向預應力布置圖(單位:cm)

2.3 邊界條件及荷載工況

2.3.1 力學邊界條件

力學邊界條件包括兩部分：模型上端截面不約束，施加從整體模型中取出的邊界內力；拉索各個錨固齒板上通過施加面荷載施加斜拉橋拉索索力。

2.3.2 位移邊界條件

在模型下端截面處采用固結邊界條件，由于模型邊界離上、中塔柱結合部位距離足夠遠，可以保證邊界條件不影響該區域的應力。

2.3.3 計算荷載工況

從整體模型中提取三種荷載工況下的索力及邊界內力，加至局部模型上。該三種荷載工況為：

工況一：塔柱施工完成+張拉塔柱環向預應力。

設置此工況的目的是為了進行張拉斜拉索前中塔柱的應力分析，保障安全施工。

工況二：主橋施工完成+張拉塔柱環向預應力。

此工況主要用于對成橋后無活載的特定工況進行考察，為施工提供參考數據，為成橋荷載試驗的超載提供依據。

工況三：標準組合包絡最大+張拉塔柱環向預應力。

此工況主要是為了考察成橋營運的一般情況，中塔柱區的應力狀態，確定合理配束量。保證適當的安全儲備，進而保障成橋的安全使用。

2.4 分析結果

為了能準確把握上、中塔柱結合部位應力分布情況，用應力云圖顯示應力，如圖6～圖10所示(圖中應力單位均為MPa)。其中各個符號意義表示如下：

圖6 工況三Z方向正應力圖

實體應力云圖中：X代表橫橋向正應力、Y代表順橋向正應力、Z代表豎向正應力、S1代表第一主應力(主拉)、S3代表第三主應力(主壓)。其中，壓應力為負，拉應力為正。為節約篇幅，這里僅列出工況三應力云圖。

圖7 工況三Y方向正應力圖

圖8 工況三X方向正應力圖

圖9 工況三第一主應力圖

圖10 工況三第三主應力圖

(1) 三種工況作用下，上、中塔柱結合部正應力和主應力的分布區域見表1，正截面壓應力及主壓應力均在規范限值以內，但是正截面拉應力及主壓應力超出規范限值，且拉應力主要為SY(順橋向正應力)。

表1 上、中塔柱結合部應力分布

(2) 塔柱矩形截面，雖然截面四個角點已設計為0.6m的圓弧，但是在三種工況下仍然存在應力集中現象(包括壓應力和拉應力)。

(3) 在上、中塔柱結合部的橫梁位置，受到兩側斜拉索相反方向的拉力，較大范圍內存在拉應力，可考慮在此處張拉預應力鋼束。

(4) 三種工況下，預應力鋼束最大值為1 117 MPa，滿足規范要求。

3 上中塔柱優化

3.1 結合部增加一道豎向腹板

從前面的分析可以看出，人字形塔在中塔柱結合部位橫橋向寬度過大，導致出現了較大的拉應力，所以增加一道豎向隔板，具體構造和模型如圖11、圖12所示。

圖11 優化后環向預應力布置圖

圖12 優化后有限元模型

3.2 優化后結果

在工況三(標準組合包絡最大+張拉塔柱環向預應力)荷載作用下，該局部隔離體的應力分布如圖13～圖17所示。

圖13 Z方向正應力圖

圖14 Y方向正應力圖

圖15 X方向正應力圖

圖16 第一主應力圖

圖17 第三主應力圖

(1) 從三種工況的計算結果可以看出，該中塔柱整體應力分布都在從范限制以內，上、中塔塔柱之間結合部的應力分布范圍與所取隔離體應力分布范圍基本一致，并不存在壓應力或拉應力在此處增大的現象。

(2) 在斜拉索錨塊上和斜拉索孔洞周圍和過人洞附近有局部2～3 MPa的拉應力，但分布范圍很小。在塔柱矩形截面，雖然截面四個角點已設計為0.6 m的圓弧，但是在三種工況下在塔柱截面角點位置附近仍然存在應力集中現象(包括壓應力和拉應力)，建議實際施工時加強截面角點位置以及斜拉索開孔、過人洞附近的普通鋼筋配置。

(3) 三種工況下，預應力鋼束最大值為1 105 MPa，滿足規范要求。

4 結束語

考慮斜拉索錨墊板、斜拉索孔洞影響建立的上中塔柱范圍實體有限元模型，能較為準確地反映了上中塔柱之間真實的受力狀態。并且通過結果的分析，針對性地提出了優化措施，通過優化后，上中塔之間的結合部順橋向的拉應力有明顯的改善。同時實體模型能明確指出各個應力集中點，對后期構造措施和鋼筋的設置有較好的指導作用。