人字形斜拉橋塔中塔柱精細(xì)化分析及優(yōu)化

胡智敏

(廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510010)

1 項(xiàng)目概況

某獨(dú)塔斜拉橋主橋?yàn)?160+85+35)m三跨獨(dú)塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土梁斜拉橋，全長(zhǎng)280 m(圖1)。采用塔墩梁固結(jié)體系，邊墩和輔助墩墩頂設(shè)置盆式橡膠支座。

圖1 全橋布置圖 (單位：cm)

主橋上部結(jié)構(gòu)采用扁平箱形預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)，橋面標(biāo)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(cè)豎直，內(nèi)側(cè)斜率為1∶0.192 7。

主塔采用矩形截面，斷面四個(gè)角點(diǎn)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(jié)點(diǎn)局部分析

2.1 局部分析的目的及方法

全橋的整體計(jì)算采用空間有限元軟件MIDAS Civil進(jìn)行，但在整體計(jì)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(shí)際結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài)；另外，整體模型中不能考慮塔柱中環(huán)向預(yù)應(yīng)力的影響。由于這兩點(diǎn)原因，需對(duì)上中塔柱之間這一段橋塔進(jìn)行局部分析，探討該處真實(shí)的應(yīng)力分布狀態(tài)。

局部分析采用直接建模法進(jìn)行，根據(jù)塔柱的實(shí)際尺寸及構(gòu)造建立實(shí)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(nèi)力邊界條件施加至局部模型上，從而保證局部模型能真實(shí)的反映上中塔柱之間真實(shí)的受力狀態(tài)。

2.2 上中塔柱假設(shè)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(jié)合部位的應(yīng)力分布?；炷羻卧托崩麇^塊采用Solid95實(shí)體單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼束采用Link8桿單元模擬。局部模型計(jì)算范圍上塔柱段截取長(zhǎng)度為9.049 m，中塔柱段截取長(zhǎng)度為7.774 m，上、中塔柱之間長(zhǎng)12.8 m，局部模型合計(jì)長(zhǎng)29.623 m。局部模型采用四面體單元?jiǎng)澐?，共?jì)273 060個(gè)單元，407 450個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖4所示。預(yù)應(yīng)力鋼束按實(shí)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(huán)向預(yù)應(yīng)力布置圖(單位:cm)

2.3 邊界條件及荷載工況

2.3.1 力學(xué)邊界條件

力學(xué)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(nèi)力；拉索各個(gè)錨固齒板上通過(guò)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(jié)邊界條件，由于模型邊界離上、中塔柱結(jié)合部位距離足夠遠(yuǎn)，可以保證邊界條件不影響該區(qū)域的應(yīng)力。

2.3.3 計(jì)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(nèi)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(huán)向預(yù)應(yīng)力。

設(shè)置此工況的目的是為了進(jìn)行張拉斜拉索前中塔柱的應(yīng)力分析，保障安全施工。

工況二：主橋施工完成+張拉塔柱環(huán)向預(yù)應(yīng)力。

此工況主要用于對(duì)成橋后無(wú)活載的特定工況進(jìn)行考察，為施工提供參考數(shù)據(jù)，為成橋荷載試驗(yàn)的超載提供依據(jù)。

工況三：標(biāo)準(zhǔn)組合包絡(luò)最大+張拉塔柱環(huán)向預(yù)應(yīng)力。

此工況主要是為了考察成橋營(yíng)運(yùn)的一般情況，中塔柱區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)，確定合理配束量。保證適當(dāng)?shù)陌踩珒?chǔ)備，進(jìn)而保障成橋的安全使用。

2.4 分析結(jié)果

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

圖6 工況三Z方向正應(yīng)力圖

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

圖7 工況三Y方向正應(yīng)力圖

圖8 工況三X方向正應(yīng)力圖

圖9 工況三第一主應(yīng)力圖

圖10 工況三第三主應(yīng)力圖

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

表1 上、中塔柱結(jié)合部應(yīng)力分布

(2) 塔柱矩形截面，雖然截面四個(gè)角點(diǎn)已設(shè)計(jì)為0.6m的圓弧，但是在三種工況下仍然存在應(yīng)力集中現(xiàn)象(包括壓應(yīng)力和拉應(yīng)力)。

(3) 在上、中塔柱結(jié)合部的橫梁位置，受到兩側(cè)斜拉索相反方向的拉力，較大范圍內(nèi)存在拉應(yīng)力，可考慮在此處張拉預(yù)應(yīng)力鋼束。

(4) 三種工況下，預(yù)應(yīng)力鋼束最大值為1 117 MPa，滿足規(guī)范要求。

3 上中塔柱優(yōu)化

3.1 結(jié)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(jié)合部位橫橋向?qū)挾冗^(guò)大，導(dǎo)致出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力，所以增加一道豎向隔板，具體構(gòu)造和模型如圖11、圖12所示。

圖11 優(yōu)化后環(huán)向預(yù)應(yīng)力布置圖

圖12 優(yōu)化后有限元模型

3.2 優(yōu)化后結(jié)果

在工況三(標(biāo)準(zhǔn)組合包絡(luò)最大+張拉塔柱環(huán)向預(yù)應(yīng)力)荷載作用下，該局部隔離體的應(yīng)力分布如圖13～圖17所示。

圖13 Z方向正應(yīng)力圖

圖14 Y方向正應(yīng)力圖

圖15 X方向正應(yīng)力圖

圖16 第一主應(yīng)力圖

圖17 第三主應(yīng)力圖

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

(2) 在斜拉索錨塊上和斜拉索孔洞周圍和過(guò)人洞附近有局部2～3 MPa的拉應(yīng)力，但分布范圍很小。在塔柱矩形截面，雖然截面四個(gè)角點(diǎn)已設(shè)計(jì)為0.6 m的圓弧，但是在三種工況下在塔柱截面角點(diǎn)位置附近仍然存在應(yīng)力集中現(xiàn)象(包括壓應(yīng)力和拉應(yīng)力)，建議實(shí)際施工時(shí)加強(qiáng)截面角點(diǎn)位置以及斜拉索開(kāi)孔、過(guò)人洞附近的普通鋼筋配置。

(3) 三種工況下，預(yù)應(yīng)力鋼束最大值為1 105 MPa，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(shí)體有限元模型，能較為準(zhǔn)確地反映了上中塔柱之間真實(shí)的受力狀態(tài)。并且通過(guò)結(jié)果的分析，針對(duì)性地提出了優(yōu)化措施，通過(guò)優(yōu)化后，上中塔之間的結(jié)合部順橋向的拉應(yīng)力有明顯的改善。同時(shí)實(shí)體模型能明確指出各個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn)，對(duì)后期構(gòu)造措施和鋼筋的設(shè)置有較好的指導(dǎo)作用。