孫書(shū)亭，劉 斌

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院，天津市 300074）

0 引言

橋梁結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單最常用的結(jié)構(gòu)分析方法是采用平面桿系的分析方法，對(duì)于常規(guī)的結(jié)構(gòu)采用桿系模擬結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果足以滿足工程需要，但對(duì)于一些復(fù)雜的局部構(gòu)造采用桿系分析不能精確得出內(nèi)力分布，或者結(jié)構(gòu)不滿足桿系假定條件的結(jié)構(gòu)。如斜拉橋的錨固區(qū)、橋塔的塔梁固結(jié)段、拱橋的拱腳區(qū)等。此時(shí)應(yīng)采用板單元或者實(shí)體單元模型進(jìn)行精確分析，以確定結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布規(guī)律。本文對(duì)某一圓環(huán)塔斜拉橋橋塔截面變化段進(jìn)行了局部的詳細(xì)分析。

1 工程概況

橋梁位于某一跨越鐵路的互通立交橋主線上，斜拉橋全長(zhǎng)180 m，跨徑布置為62.5 m+55 m+62.5 m，橋梁為兩幅橋面，主梁為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋塔為圓環(huán)狀鋼塔。中央分隔帶寬13 m，橋面凈寬20 m，橋塔位于中央分隔處，橋塔順橋布置在中央分隔帶上，橋塔軸線直徑為88 m，塔頂距地面100 m左右。塔身截面為矩形，為增加橋塔的穩(wěn)定性，在位于橋塔半圓附近塔身一分為二，分成兩個(gè)截面為6 m×3 m的矩形的塔腳，作為塔身的支撐，塔腳錨固在承臺(tái)基礎(chǔ)內(nèi)。橋塔立面見(jiàn)圖1。

2 塔身細(xì)部構(gòu)造與模型的建立

塔身的正常段截面為6 m×5 m矩形，鋼板厚度根據(jù)受力分布情況分別采用了25 mm、30 mm等幾種形式。在截面變化設(shè)置了加強(qiáng)的隔板，隔板鋼板的厚度與鋼箱梁的頂板厚度一致，均為30 mm。塔腳支撐段截面為6 m×3 m矩形，箱梁頂板與底板及腹板鋼板厚度為25 mm，中間設(shè)一16 mm的隔板。典型斷面見(jiàn)圖2、圖3。

塔身與塔腳的連接在桿系單元模型里采用固結(jié)六個(gè)自由度的彈性連接模擬。細(xì)部分析采用板單元模擬鋼箱梁的頂板、底板、腹板，隔板按照施工圖的實(shí)際布置方式建立板單元，然后將要分析的部分插入到整體梁?jiǎn)卧Ｐ椭?，以主從?jié)點(diǎn)的方式與桿系塔身單元連接。為精確分析，減小由于板單元的尺寸所引起的誤差，板單元的最大尺寸設(shè)定為30 cm。其模型見(jiàn)圖4。

由于本工程結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，橋塔的內(nèi)力主要由于恒載所引的，溫度及混凝土收縮與徐變所引起的內(nèi)力較小，只對(duì)比分析恒載的效應(yīng)。

3 對(duì)比分析

分析對(duì)比桿系單元編號(hào)，見(jiàn)圖5、圖6。

主要對(duì)比分析923號(hào)單元左端與955號(hào)單元的右端的應(yīng)力值，見(jiàn)圖7。

利用軟件的梁?jiǎn)卧?xì)部分析功能，提取923單元的左端與955號(hào)單元右端的應(yīng)力結(jié)果，見(jiàn)表1。

923號(hào)單元截面上緣正應(yīng)力為拉應(yīng)力66.8 MPa，下緣正應(yīng)力最大為壓應(yīng)力129.4 MPa，上、下緣范梅塞斯應(yīng)力分別為69.8 MPa和130.8 MPa，剪應(yīng)力均為12.3MPa。955號(hào)單元上緣左端應(yīng)力為32.3 MPa，右端應(yīng)力為82.7 MPa均為拉應(yīng)力；下緣右端為壓應(yīng)力78.MPa，左端為壓應(yīng)力128.7 MPa，剪應(yīng)力4個(gè)點(diǎn)分別為10.3 MPa、19.1 MPa、10.1 MPa和1.7 MPa，4個(gè)點(diǎn)的范梅塞斯應(yīng)力分別為37 MPa、82.8 MPa、80.4 MPa與128.8 MPa，最大拉應(yīng)力為截面上緣右端為82.7 MPa，最大壓應(yīng)力為下緣左端128.7 MPa。

圖1 橋塔立面與斷面圖（單位：mm）

圖2 塔身典型斷面圖（單位：mm）

圖3 塔腳典型斷面圖（單位：mm）

圖4 分析模型

圖5 桿系單元模型

圖6 板單元模型圖

圖7 截面應(yīng)力點(diǎn)示意圖

表1 梁?jiǎn)卧獞?yīng)力表

板單元分析結(jié)果見(jiàn)圖8～圖11，為對(duì)比方便，分別給出頂板與底板的應(yīng)力云圖。頂板下部單元與1、2號(hào)點(diǎn)位對(duì)應(yīng)，底板下部單元與3、4號(hào)點(diǎn)位對(duì)應(yīng)。

圖8 923號(hào)單元底板正應(yīng)力云圖

圖9 923號(hào)單元頂板正應(yīng)力云圖

圖10 923號(hào)單元底板范梅塞斯應(yīng)力云圖

圖11 923號(hào)單元頂板范梅塞斯應(yīng)力云圖

從應(yīng)力云圖結(jié)果中得出，正應(yīng)力在截面上緣左、右端應(yīng)力為87.4 MPa，比梁?jiǎn)卧?6.8 MPa的分析結(jié)果稍大一些，截面下緣板單元左端與右端的應(yīng)力分別為99.6 MPa，比梁?jiǎn)卧?29.4 MPa小一些，但其極值點(diǎn)出現(xiàn)在截面變化的部位，即與塔腳相接的部位，此處出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，主要是因?yàn)榻孛姘宓暮穸茸兓木壒?。這也說(shuō)明在一些特殊部位，梁?jiǎn)卧荒芫_分析應(yīng)力分布情況，板單元或?qū)嶓w單元按照實(shí)際構(gòu)造進(jìn)行模擬，能夠得出相對(duì)準(zhǔn)確的結(jié)果。范梅塞斯應(yīng)力頂板與底板應(yīng)力極值分別為50.9 MPa與87.4 MPa，均比梁?jiǎn)卧慕Y(jié)果小。

955號(hào)單元應(yīng)力云圖見(jiàn)圖12～圖15，頂板單元的上部單元與底板單元的上部單元分別與梁?jiǎn)卧?、2和3、4點(diǎn)位相對(duì)應(yīng)。

圖12 955號(hào)單元頂板正應(yīng)力云圖

圖13 955號(hào)單元底板正應(yīng)力云圖

圖14 955號(hào)單元頂板范梅塞斯應(yīng)力云圖

圖15 955號(hào)單元底板范梅塞斯應(yīng)力云圖

圖16 腹板正應(yīng)力云圖

圖17 隔板正應(yīng)力云圖

從板單元分析結(jié)果得知，在955號(hào)單元右端截面頂板的正應(yīng)力及范梅塞斯應(yīng)力極值分別為81.7 MPa與71 MPa，梁?jiǎn)卧孛鎸?duì)應(yīng)位置的應(yīng)力極值分別為82.7 MPa與82.8 MPa，比梁?jiǎn)卧慕Y(jié)果略小一些。底板的正應(yīng)力與范梅塞斯應(yīng)力極值分別為165.2 MPa和147.4 MPa，梁?jiǎn)卧獙?duì)應(yīng)位置的應(yīng)力極值分別為128.7 MPa與128.8 MPa，均比梁?jiǎn)卧慕Y(jié)果要大一些。從應(yīng)力云圖應(yīng)力分布分析，應(yīng)力極值只在底板與及板相接處一個(gè)單元，相鄰單元應(yīng)力急劇下降，為100 MPa左右，因此施工中應(yīng)盡量減小頂、底板與腹板焊接處的殘余應(yīng)力，以免局應(yīng)力過(guò)高。應(yīng)力沿塔身向塔腳遞減，與梁?jiǎn)卧治鼋Y(jié)果分布規(guī)律一致。腹板與隔板的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖16、圖17。

從腹板應(yīng)力云圖中看出，在腹板與頂板底板相接處的單元應(yīng)力相對(duì)較大，在腹板中性軸附近應(yīng)力很小，也與梁?jiǎn)卧猩舷戮壍膽?yīng)力分布規(guī)很一致，即上、下緣應(yīng)力較大，靠近中性軸處的應(yīng)力較小的分布規(guī)律一致。從隔板的應(yīng)力云圖中得知，整個(gè)隔板應(yīng)力相對(duì)均勻，并且數(shù)值也相對(duì)較小，只是在與頂?shù)装逑嘟犹帒?yīng)力出現(xiàn)峰值，在進(jìn)行隔板的設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)構(gòu)造要求適當(dāng)減小隔板的鋼板厚度。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)除進(jìn)行必要的桿系模型整體分析外，還應(yīng)進(jìn)行板單元或?qū)嶓w單元模型的細(xì)部分析，才能準(zhǔn)確的把握結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，并驗(yàn)證采用的構(gòu)造措施是否合適，及驗(yàn)證桿系分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，保證結(jié)構(gòu)具有足夠的安全性，而且可以根據(jù)細(xì)部分析的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)滿足經(jīng)濟(jì)、安全的最基本的要求。

[1]JTJ025-1986，公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].1986.

[2]GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2003.