斜拉橋塔梁固結(jié)處局部參數(shù)優(yōu)化分析

作者簡介：黃詩洪（1987—），高級(jí)工程師，主要從事公路隧道橋梁施工技術(shù)研究及工程質(zhì)量管理工作。

摘要：為研究塔梁固結(jié)斜拉橋塔和主梁結(jié)合位置處的受力性能，文章依托太子河大跨度塔梁固結(jié)斜拉橋?yàn)楣こ贪咐捎萌S有限元軟件建立塔梁實(shí)體局部模型，基于控制變量法分別研究橋塔底部過渡面倒角尺寸和實(shí)心段高度對(duì)于橋塔底部實(shí)心段與空心段結(jié)合面的縱橫向應(yīng)力、橋塔底部與主梁交接處的縱橫向應(yīng)力的影響規(guī)律。結(jié)果表明：增加過渡面倒角寬度有利于減小橋塔底部實(shí)心段表面縱橫向應(yīng)力，其分別減小了11.3%和16.7%，增加實(shí)心段高度有利于減小橋塔底部實(shí)心段表面和塔梁固結(jié)區(qū)交界面縱向拉應(yīng)力，其分別減小了24.7%和12.2%；而增加過渡面倒角高度并不利于對(duì)塔梁固結(jié)區(qū)局部應(yīng)力的改善；根據(jù)分析，塔梁固結(jié)區(qū)局部構(gòu)造參數(shù)組合取倒角寬度為550 mm、倒角高度為1 000 mm以及實(shí)心段高度為1 500 mm，能夠改善塔底局部應(yīng)力。研究可為類似塔梁固結(jié)斜拉橋局部構(gòu)造設(shè)計(jì)提供借鑒參考。

關(guān)鍵詞：斜拉橋；塔梁固結(jié)體系；局部分析；控制變量；參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U448.27A401383

0 引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，城市橋梁的跨徑越來越大，不僅單純要求橋梁的通行功能，同時(shí)對(duì)于橋梁美學(xué)的要求越來越高^［1-3］。而斜拉橋作為一種索結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)承載能力大，跨越能力強(qiáng)，橋梁外形優(yōu)美，能夠很好地融入城市的發(fā)展規(guī)劃中，因此越來越多的城市橋梁采用斜拉橋。其中，塔梁固結(jié)斜拉橋因兼具梁橋和斜拉橋兩種橋型結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，在城市大跨徑橋梁中廣泛使用^［4-6］。但是塔梁固結(jié)斜拉橋結(jié)構(gòu)體系對(duì)于其塔梁固結(jié)處的局部受力相對(duì)較復(fù)雜，在進(jìn)行構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí)，需充分考慮各參數(shù)變化^［7-8］。目前國內(nèi)外已有大量研究學(xué)者對(duì)塔梁固結(jié)斜拉橋進(jìn)行了深入探討^［9-10］，但針對(duì)大跨度塔梁固結(jié)斜拉橋局部構(gòu)造設(shè)計(jì)優(yōu)化研究較少。因此，為確保塔梁固結(jié)處構(gòu)造設(shè)計(jì)以及配筋滿足局部受力要求，本文依托太子河大跨度塔梁固結(jié)斜拉橋?yàn)楣こ贪咐捎萌S有限元軟件建立塔梁實(shí)體局部模型，基于控制變量法，分別研究橋塔底部過渡面倒角尺寸和實(shí)心段高度對(duì)于橋塔底部實(shí)心段與空心段結(jié)合面的縱橫向應(yīng)力、橋塔底部與主梁交接處的縱橫向應(yīng)力的影響規(guī)律^［11-12］。

1 工程概況

太子河大橋主橋?yàn)椋?0+150+70） m雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，采用150 m主跨跨越深水區(qū)域，采用70 m邊跨跨越兩岸大堤，總長290 m。該橋塔柱采用雙柱式，柱尺寸順橋向長4.5 m，橫橋向?qū)?.5 m，壁厚順橋向?yàn)?.25 m，橫橋向?yàn)?.65 m。橫橋向中距與索面距一致為23.5 m。橋面以上塔柱高35 m，兩主塔均采用塔-梁固結(jié)體系，主墩頂設(shè)支座。塔梁固結(jié)段局部構(gòu)造如圖1所示。

2 塔梁結(jié)合段局部分析

2.1 有限元模型的建立

針對(duì)塔梁固結(jié)斜拉橋的特點(diǎn)，采用三維空間有限元分析軟件Abaqus建立局部模型。為消除局部模型邊界效應(yīng)，模型選取支點(diǎn)處7.5 m節(jié)段縱梁，支點(diǎn)處設(shè)置一道3.5 m寬的中橫梁。根據(jù)圣維南原理，模型中橋塔空心段高度為9 m，底部實(shí)心段和過渡段按實(shí)際情況建立。整個(gè)模型采用三維可變性solid單元模擬，縱梁支點(diǎn)處建立圓形支座，通過綁定將支座上表面與縱梁底面連接，在支座下表面施加壓力荷載，兩橋塔頂部空心段表面采用完全固結(jié)的約束狀態(tài)。計(jì)算空間局部模型如圖2所示。

2.2 局部應(yīng)力分析

通過建立模型對(duì)塔梁固結(jié)段進(jìn)行分析，在支座最大噸位下出現(xiàn)最不利工況，施加最不利豎向壓力荷載，得到橋塔和縱梁的縱橫向最不利主應(yīng)力，如圖3所示。

由圖3可知，橋塔底部實(shí)心段表面縱橫向拉應(yīng)力分別為4.192 MPa和3.075 MPa，塔梁固結(jié)區(qū)交界面縱橫向拉應(yīng)力分別為3.184 MPa和1.323 MPa。由此可知，橋塔底部實(shí)心段表面縱向應(yīng)力較大，并且由于實(shí)心段高度只有0.5 m，僅僅通過配筋難以滿足結(jié)構(gòu)受力要求，因此需要對(duì)塔梁固結(jié)處構(gòu)造設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

3 塔梁固結(jié)區(qū)構(gòu)造參數(shù)分析

3.1 過渡面倒角寬度

對(duì)于塔梁固結(jié)斜拉橋來說，塔梁固結(jié)區(qū)局部構(gòu)造的設(shè)計(jì)對(duì)局部受力影響較大。本工程橋塔底部設(shè)計(jì)一段實(shí)心段，通過塔底承受橋塔產(chǎn)生的主拉應(yīng)力，而橋塔實(shí)心段與空心段通過一段過渡面來避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的產(chǎn)生。因此，選擇過渡面倒角寬度進(jìn)行參數(shù)分析，倒角寬度越大，過渡面的傳力路徑越緩，有利于應(yīng)力的發(fā)展，故合理選擇塔底過渡面倒角的寬度通常能夠減小塔底局部應(yīng)力。本文在過渡面高度取600 mm、實(shí)心段高度取500 mm的情況下，基于控制變量法，過渡面倒角寬度分別取200 mm、400 mm以及550 mm，分析不同倒角寬度對(duì)塔梁固結(jié)區(qū)局部拉應(yīng)力的影響。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，隨著過渡面倒角寬度不斷加寬，橋塔底部實(shí)心段表面縱橫向應(yīng)力和塔梁固結(jié)區(qū)交界面橫向應(yīng)力呈現(xiàn)減小的趨勢，其中倒角寬度從200 mm增加到550 mm時(shí)，橋塔底部實(shí)心段表面縱橫向應(yīng)力分別減小了11.3%和16.7%，塔梁固結(jié)區(qū)交界面橫向拉應(yīng)力僅減小了1.7%；而塔梁固結(jié)區(qū)交界面縱向應(yīng)力呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，倒角寬度取400 mm時(shí)塔梁固結(jié)區(qū)交界面縱向拉應(yīng)力減小幅度最大，達(dá)到了7.2%。由此可知，過渡面倒角寬度的增加有利于改善橋塔底部實(shí)心段表面縱橫向拉應(yīng)力，對(duì)塔梁固結(jié)區(qū)交界面橫向應(yīng)力影響較小；同時(shí)不斷加大倒角寬度并不利于改善塔梁固結(jié)區(qū)交界面縱向拉應(yīng)力。因此，綜合考慮，本結(jié)構(gòu)塔梁固結(jié)區(qū)局部過渡面倒角寬度取550 mm較合適，對(duì)結(jié)構(gòu)受力較為有利。

3.2 過渡面倒角高度

由于本工程塔梁固結(jié)處的橋塔底部設(shè)計(jì)了一段實(shí)心段，通過塔底承受橋塔產(chǎn)生的主拉應(yīng)力，而橋塔實(shí)心段與空心段通過一段過渡面來避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的產(chǎn)生。前文中分析了過渡面倒角寬度對(duì)塔梁固結(jié)區(qū)局部受力的影響，而過渡面倒角高度同樣也影響該局部應(yīng)力的發(fā)展。一般來說，過渡面倒角高度越高，塔底應(yīng)力傳力路徑越長，有利于減小應(yīng)力，因此選擇過渡面倒角高度進(jìn)行參數(shù)分析。倒角高度越大，過渡面的傳力路徑越緩，有利于應(yīng)力的發(fā)展，因此合理選擇塔底過渡面倒角的高度通常能夠減小塔底局部應(yīng)力。本文在過渡面寬度取200 mm、實(shí)心段高度取500 mm的情況下，基于控制變量法，過渡面倒角高度分別取600 mm、1 000 mm以及1 500 mm，分析不同倒角高度對(duì)塔梁固結(jié)區(qū)局部拉應(yīng)力的影響。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，隨著倒角高度的不斷增加，僅橋塔底部實(shí)心段表面橫向拉應(yīng)力呈現(xiàn)減小的趨勢，其中倒角高度從600 mm增加到1 500 mm時(shí)，橋塔底部實(shí)心段表面橫向應(yīng)力減小了12.4%；而橋塔底部實(shí)心段表面縱向拉應(yīng)力和塔梁固結(jié)區(qū)交界面縱橫向拉應(yīng)力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，其中倒角高度從600 mm增加到1 500 mm時(shí)，實(shí)心段表面縱向拉應(yīng)力和塔梁固結(jié)區(qū)交界面橫向拉應(yīng)力反而分別增加了2.9%和4.2%。由此可知，不斷增加過渡面倒角高度并不利于對(duì)塔梁固結(jié)區(qū)局部應(yīng)力的改善，故綜合考慮，本結(jié)構(gòu)塔梁固結(jié)區(qū)局部過渡面倒角高度取1 000 mm較合適，對(duì)結(jié)構(gòu)受力較為有利。

3.3 實(shí)心段高度

一般而言，橋塔底部實(shí)心段高度越高，對(duì)于塔梁固結(jié)區(qū)剛度越大，對(duì)于固結(jié)區(qū)局部受力越有利，隨著高度的增加，能夠擴(kuò)大應(yīng)力在底部傳遞的范圍，避免應(yīng)力集中在一個(gè)區(qū)域。因此，選擇過實(shí)心段高度進(jìn)行參數(shù)分析。實(shí)心段高度越大，過渡面的傳力路徑越緩，有利于應(yīng)力的發(fā)展，因此合理選擇塔底實(shí)心段的高度通常能夠減小塔底局部應(yīng)力。本文在過渡面倒角寬度取200 mm、倒角高度取600 mm的情況下，基于控制變量法，實(shí)心段高度分別取500 mm、1 000 mm以及1 500 mm，分析不同實(shí)心段高度對(duì)塔梁固結(jié)區(qū)局部拉應(yīng)力的影響。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，隨著塔底實(shí)心段不斷變高，橋塔底部實(shí)心段表面和塔梁固結(jié)區(qū)交界面縱向拉應(yīng)力均呈現(xiàn)減小的趨勢，其中實(shí)心段高度從500 mm增加到1 500 mm時(shí)，縱向拉應(yīng)力分別減小了24.7%和12.2%；而橋塔底部實(shí)心段表面橫向應(yīng)力反而隨著實(shí)體段加高而增加，最大增加幅度為9.1%，且塔梁固結(jié)區(qū)交界面橫向拉應(yīng)力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。由此可見，實(shí)心段的增高有利于橋塔底部實(shí)心段表面和塔梁固結(jié)區(qū)交界面縱向拉應(yīng)力的減小，但會(huì)提高橋塔底部實(shí)心段表面橫向應(yīng)力。但綜合而言，增大實(shí)心段高度有利于改善塔底固結(jié)區(qū)局部應(yīng)力，因此塔梁固結(jié)區(qū)實(shí)體段高度取1 500 mm較為合適。

4 結(jié)語

本文依托太子河大跨度塔梁固結(jié)斜拉橋?yàn)楣こ贪咐捎萌S有限元軟件建立塔梁實(shí)體局部模型，基于控制變量法，分別研究橋塔底部過渡面倒角尺寸和實(shí)心段高度對(duì)于橋塔底部實(shí)心段與空心段結(jié)合面的縱橫向應(yīng)力、橋塔底部與主梁交接處的縱橫向應(yīng)力的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論：

（1）加寬過渡面倒角寬度能夠避免應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中倒角寬度從200 mm增加到550 mm時(shí)，橋塔底部實(shí)心段表面縱橫向應(yīng)力分別減小了11.3%和16.7%，塔梁固結(jié)區(qū)交界面橫向拉應(yīng)力僅減小了1.7%；倒角寬度取400 mm時(shí)塔梁固結(jié)區(qū)交界面縱向拉應(yīng)力減小幅度最大，達(dá)到了7.2%。過渡面倒角寬度的增加有利于改善橋塔底部實(shí)心段表面縱橫向拉應(yīng)力，但并不利于改善塔梁固結(jié)區(qū)交界面縱向拉應(yīng)力。因此，綜合考慮，本結(jié)構(gòu)塔梁固結(jié)區(qū)局部過渡面倒角寬度取550 mm較合適，對(duì)結(jié)構(gòu)受力較為有利。

（2）過渡面倒角高度從600 mm增加到1 500 mm時(shí)，僅橋塔底部實(shí)心段表面橫向應(yīng)力減小了12.4%，而橋塔底部實(shí)心段表面縱向拉應(yīng)力和塔梁固結(jié)區(qū)交界面橫向拉應(yīng)力反而分別增加了2.9%和4.2%。綜合可知，不斷增加過渡面倒角高度并不利于對(duì)塔梁固結(jié)區(qū)局部應(yīng)力的改善。因此，本結(jié)構(gòu)塔梁固結(jié)區(qū)局部過渡面倒角高度取1 000 mm較合適，對(duì)結(jié)構(gòu)受力較為有利。

（3）加高實(shí)心段能夠擴(kuò)大應(yīng)力在底部傳遞的范圍，其中實(shí)心段高度從500 mm增加到1 500 mm時(shí)，橋塔底部實(shí)心段表面和塔梁固結(jié)區(qū)交界面縱向拉應(yīng)力分別減小了24.7%和12.2%；而橋塔底部實(shí)心段表面橫向應(yīng)力雖然是增加的，但不是控制目標(biāo)，最大增加幅度為9.1%。綜合可知，實(shí)心段高度的增加有利于橋塔底部實(shí)心段表面和塔梁固結(jié)區(qū)交界面縱向拉應(yīng)力的減小，但會(huì)提高橋塔底部實(shí)心段表面橫向應(yīng)力。綜合而言，增加實(shí)心段高度有利于改善塔底固結(jié)區(qū)局部應(yīng)力，因此塔梁固結(jié)區(qū)實(shí)體段高度取1 500 mm較為合適。

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