劉小軍
(山西省交通科學(xué)研究院,山西 太原 030006)
該矮塔斜拉橋在整體力學(xué)性能分析中采用空間梁?jiǎn)卧丸旒軉卧獊?lái)模擬,通過(guò)上橫梁將塔梁連為一體,利用整體模型的分析結(jié)果來(lái)進(jìn)行塔梁配筋設(shè)計(jì),但是0號(hào)塊結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜,不僅頂板與Y型橋塔相連接,同時(shí)還與上橫梁相固結(jié),而0號(hào)塊、橋塔以及上橫梁的內(nèi)部又同時(shí)采用了挖空形式,更是加劇了其整體空間復(fù)雜性,故梁?jiǎn)卧治鼋Y(jié)果不能用于0號(hào)塊的配筋設(shè)計(jì)??紤]到空間梁?jiǎn)卧P蜔o(wú)法得到0號(hào)塊真實(shí)空間應(yīng)力分布的因素,因此有必要對(duì)該矮塔斜拉橋0號(hào)塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)部分析,以便更加真實(shí)地反應(yīng)其空間應(yīng)力分布狀態(tài),同時(shí)也可以指導(dǎo)該部位的構(gòu)造擬定及配筋設(shè)計(jì)工作。
主橋采用(87+160+87)m雙塔斜向雙索面三跨預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋。主梁為單箱雙室結(jié)構(gòu),寬28.0 m,橋塔處梁高 5.0 m,跨中梁高 3.5 m,1~7號(hào)梁段為梁高變化段,其余為等高段。橋塔為Y型塔,塔高24.8 m,每個(gè)橋塔共設(shè)置8對(duì)斜拉索,采用分絲管索鞍形式,每根斜拉索貫穿主塔并錨固在主梁上。主橋立面布置圖如圖1所示。
圖1 主橋立面布置圖(單位:m)
0號(hào)塊結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜,不僅與橋塔相連接,而且與上橫梁也連為一體,具體結(jié)構(gòu)構(gòu)造尺寸如圖2、圖3所示。
圖2 0號(hào)塊立面圖(單位:cm)
圖3 0號(hào)塊橫斷面圖(單位:cm)
將0號(hào)塊、上中橫梁及部分橋塔作為一個(gè)整體來(lái)進(jìn)行空間應(yīng)力分析,其中0號(hào)塊和上橫梁采用C55混凝土,其余部位為C50混凝土,縱、橫、豎向預(yù)應(yīng)力筋采用Strand1860鋼絞線。
全橋采用有限元軟件Midas/Civil建立桿系整體分析模型,其中承臺(tái)、墩塔、主梁采用空間梁?jiǎn)卧M,拉索采用空間桁架單元模擬[1],整體分析模型見(jiàn)圖4。
圖4 全橋整體分析模型
利用空間有限元分析軟件Midas/FEA進(jìn)行0號(hào)塊空間實(shí)體模型的建立,首先對(duì)實(shí)體進(jìn)行線網(wǎng)格尺寸控制,單元長(zhǎng)度為0.3 m,然后進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分,共劃分為482020個(gè)單元,103435個(gè)節(jié)點(diǎn)。在0號(hào)塊實(shí)體單元中設(shè)置縱、橫、豎向共83束預(yù)應(yīng)力鋼筋,其中頂板縱向3束,頂板橫向20束,上橫梁肋板橫向12束,腹板豎向48束,鋼束采用鋼筋梁?jiǎn)卧M并分別進(jìn)行了網(wǎng)格劃分[2]。0號(hào)塊及上橫梁混凝土自重26 kN/m3,橋面二期恒載為5.518 kN/m2,預(yù)應(yīng)力張拉應(yīng)力0.72fpk=1339.2 MPa,實(shí)體模型邊界條件為兩個(gè)墩底固結(jié)。0號(hào)塊實(shí)體模型及鋼束模型分別見(jiàn)圖5、圖6。
圖5 0號(hào)塊實(shí)體模型
圖6 0號(hào)塊鋼束模型
由于0號(hào)塊在各個(gè)施工階段以及成橋狀態(tài)下,其應(yīng)力分布狀態(tài)一直處于復(fù)雜的變化過(guò)程中,根據(jù)以往文獻(xiàn)[3]分析經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,0號(hào)塊的空間應(yīng)力分析階段一般為最大雙懸臂施工階段和成橋使用階段。和以往0號(hào)塊分析不同的是,除了提取0號(hào)塊前后截面內(nèi)力,還需提取左右上塔柱截面內(nèi)力。0號(hào)塊、上塔柱共4個(gè)截面內(nèi)力提取值參見(jiàn)表1。
表1 0號(hào)塊及上塔柱截面內(nèi)力值
通過(guò)建立截面質(zhì)心節(jié)點(diǎn),在質(zhì)心節(jié)點(diǎn)與截面所有節(jié)點(diǎn)之間建立剛性連接,將整體模型提取出來(lái)的內(nèi)力施加在質(zhì)心節(jié)點(diǎn)上,力和力矩則通過(guò)剛性連接傳遞到整個(gè)截面上,施加過(guò)程中要注意Midas/Civil整體模型單元坐標(biāo)系與Midas/FEA整體坐標(biāo)系存在夾角,需把內(nèi)力方向從單元坐標(biāo)系換成整體坐標(biāo)系[4]。應(yīng)力分析云圖中,均以拉應(yīng)力為正,壓應(yīng)力為負(fù)。
0號(hào)塊橫橋向應(yīng)力、豎向應(yīng)力及主拉應(yīng)力云圖見(jiàn)圖7~圖9。從圖7中可知,橫橋向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在塔梁相接處附近0號(hào)塊頂板區(qū)域,達(dá)到3.055 MPa,此外,上橫梁底板處于橫向受拉狀態(tài),最大值為2.280 MPa,分布在上橫梁1/4跨底部區(qū)域;從圖8中可知,豎向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在0號(hào)塊橫隔板過(guò)人孔下部范圍,達(dá)到2.139 MPa,整個(gè)橫隔板均處在豎向拉應(yīng)力區(qū),且靠近腔室一側(cè)的應(yīng)力值較大,同時(shí)上橫梁底板與塔交接處出現(xiàn)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象,達(dá)到-26.735 MPa;從圖9中可知,整個(gè)模型主拉應(yīng)力最大值為4.25 MPa,位于橋塔內(nèi)上橫梁肋板橫向鋼束錨固端,此處未考慮錨墊板影響,其值失真,塔梁相接處0號(hào)塊頂板主拉應(yīng)力最大值為3.15 MPa,上橫梁底板主拉應(yīng)力最大值為3.0 MPa。
圖7 0號(hào)塊橫橋向應(yīng)力(工況一)
圖8 0號(hào)塊豎向應(yīng)力(工況一)
圖90 號(hào)塊主拉應(yīng)力(工況一)
0號(hào)塊橫橋向應(yīng)力、豎向應(yīng)力及主拉應(yīng)力云圖見(jiàn)圖10~圖12。從圖10中可知,橫橋向最大拉應(yīng)力為3.541 MPa,出現(xiàn)位置同工況一,上橫梁1/4跨底板區(qū)域最大拉應(yīng)力為2.950 MPa,較工況一有所增大。從圖11中可知,豎向最大拉應(yīng)力為3.464 MPa,出現(xiàn)在上橫梁橫隔板上部靠近腔室一側(cè),同工況一相比,最大值出現(xiàn)位置發(fā)生轉(zhuǎn)移,此外,上橫梁底板與塔交接處最大壓應(yīng)力為-29.695 MPa。從圖12中可知,最大主拉應(yīng)力4.268 MPa,位置同工況一。此外,0號(hào)塊頂板、上橫梁底板以及橫隔板的局部區(qū)域主拉應(yīng)力值較大,個(gè)別位置超過(guò)3.6 MPa。
圖10 0號(hào)塊橫橋向應(yīng)力(工況二)
圖11 0號(hào)塊豎向應(yīng)力(工況二)
圖12 0號(hào)塊主拉應(yīng)力(工況二)
0號(hào)塊橫橋向應(yīng)力、豎向應(yīng)力及主拉應(yīng)力云圖分布形態(tài)同工況二,僅應(yīng)力值略有不同,在此不一一列出。橫橋向最大拉應(yīng)力為3.544 MPa,出現(xiàn)位置同工況二,上橫梁1/4跨底板區(qū)域最大拉應(yīng)力為2.96 MPa;豎向最大拉應(yīng)力為3.056 MPa,出現(xiàn)位置同工況二,上橫梁底板與塔交接處最大壓應(yīng)力為-30.711 MPa;最大主拉應(yīng)力4.323 MPa,位置同工況二,此外,0號(hào)塊頂板、上橫梁底板以及橫隔板的局部區(qū)域主拉應(yīng)力值較大,個(gè)別部位超過(guò)3.0 MPa,但相比工況二整體略小。
a)通過(guò)對(duì)矮塔斜拉橋0號(hào)塊進(jìn)行三維空間應(yīng)力分析,可以明確結(jié)構(gòu)拉、壓應(yīng)力分布狀態(tài),進(jìn)而把握裂縫可能出現(xiàn)位置以及混凝土應(yīng)力過(guò)大的位置,為0號(hào)塊的結(jié)構(gòu)構(gòu)造及配筋設(shè)計(jì)的合理性提供理論依據(jù)。
b)0號(hào)塊橫橋向最大拉應(yīng)力位于塔梁相接處附近頂板區(qū)域,主要是由張拉上橫梁肋板橫向束所引起的,可以通過(guò)先張拉肋板橫向束后澆筑頂板與塔柱連接部的施工方法來(lái)解決這一問(wèn)題;此外,0號(hào)塊橫隔板及其過(guò)人孔周邊位置豎向拉應(yīng)力較大,易出現(xiàn)開(kāi)裂,建議這些部位應(yīng)加強(qiáng)鋼筋配置。
c)上橫梁與0號(hào)塊連為整體,主梁豎向荷載主要通過(guò)上橫梁傳遞到橋塔,故上橫梁底部局部區(qū)域會(huì)出現(xiàn)較大橫橋向拉應(yīng)力,這在設(shè)計(jì)中應(yīng)特別引起重視,一是在構(gòu)造上增加上橫梁拱形底板的厚度及矢跨比,二是增加上橫梁肋板橫向鋼束并加強(qiáng)底板鋼筋配置。此外,在上橫梁底板與塔柱內(nèi)側(cè)之間可采取順適過(guò)渡的結(jié)構(gòu)形式以避免出現(xiàn)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象。