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      矮塔斜拉橋索塔局部受力分析

      2024-12-31 00:00:00宋建平
      西部交通科技 2024年8期
      關(guān)鍵詞:索塔斜拉橋受力

      文章以某矮塔斜拉橋為例,提出一種基于有限元精確模型的索鞍下部混凝土受力分析方法,即將索鞍內(nèi)的分絲管一一建模,并在每層分絲管的表面建立加載面單元,將等效面力分層施加,進(jìn)而獲得精確的分析結(jié)果。研究表明:該方法可精確描述鋼絞線分別通過多根分絲管的集中作用下結(jié)構(gòu)的具體受力情況;通過精確建立鋼索鞍混凝土索塔模型,還可分析鋼制索鞍與索塔混凝土之間的相互作用關(guān)系。研究成果可供類似工程參考。

      有限元;矮塔斜拉橋;索塔;局部受力;分絲管

      U441+.5A491544

      作者簡介:

      宋建平(1980—),高級工程師,主要從事公路橋梁勘察設(shè)計工作。

      0" 引言

      矮塔斜拉橋索塔通過設(shè)置索鞍,使斜拉索體外預(yù)應(yīng)力連續(xù)通過索塔,在巨大索力作用下,容易使得索鞍下部混凝土產(chǎn)生較大的體外預(yù)應(yīng)力局部壓應(yīng)力,容易造成索鞍下部局部混凝土壓碎現(xiàn)象,以及出現(xiàn)大范圍的裂縫,埋下結(jié)構(gòu)安全隱患。國內(nèi)外學(xué)者采用不同方法,從不同角度對矮塔斜拉橋進(jìn)行了模擬以及分析。

      張海文等利用ANSYS軟件對矮塔斜拉橋索塔應(yīng)力進(jìn)行分析[1],采用接觸單元模擬斜拉索與鋼管之間的接觸關(guān)系,但未將分絲管索鞍構(gòu)造簡化為單束,忽略了外鋼管的影響,不能模擬分析分絲管各根鋼絞線的相互作用。譚長建等對一種改造提升后的分絲管索鞍進(jìn)行了鞍座的節(jié)段模型試驗研究[2],進(jìn)一步構(gòu)建了三維有限元計算模型,通過在各個預(yù)應(yīng)力孔上按實際索力以面壓力施加,來模擬分析分絲管與索鞍下部混凝土應(yīng)力分布之間的聯(lián)系。張樹清等利用空間分析軟件對矮塔斜拉橋索鞍區(qū)進(jìn)行了建模分析[3],選取整體計算中最不利荷載進(jìn)行靜力分析,得到了橋塔索鞍區(qū)混凝土和索導(dǎo)管應(yīng)力分布狀況。劉釗等通過對某矮塔斜拉橋[4],建立了節(jié)段足尺模型,針對索鞍區(qū)進(jìn)行試驗,選取了雙套管索鞍的兩種粘結(jié)錨固構(gòu)造。通過對單側(cè)拉索的低周反復(fù)加載,得到了不平衡索力的影響趨勢,還分析研究了索鞍區(qū)混凝土的受力特征,結(jié)果表明,這兩種粘結(jié)錨固構(gòu)造均有較強(qiáng)的且穩(wěn)定的抗滑移效果。張永為采用空間有限元方法計算了索鞍的受力情況[5],將索力較真實地轉(zhuǎn)化為拋物線形面壓力施加在各個對應(yīng)孔道上。對分絲管和雙套管進(jìn)行了比較,認(rèn)為平均法施加法更為貼近實際情況。朱軍以一座矮塔斜拉橋為研究對象[6],采用空間有限元方法計算了索鞍的受力情況,將索力比較真實地轉(zhuǎn)化為拋物線形面壓力施加在各個對應(yīng)孔道上,并認(rèn)為孔道施工偏差對運營階段塔的影響實際效果是較好的,較以前平均法、施加法更為貼近實際情況。王立峰等通過對某矮塔斜拉橋[7],運用Midas Civil軟件建立索塔及索鞍區(qū)域的空間有限元模型,在最大索力情況下,對整個索塔的空間受力及索塔索鞍區(qū)域混凝土的局部應(yīng)力情況進(jìn)行分析。劉尊穩(wěn)研究了索塔鞍座下方混凝土應(yīng)力分布規(guī)律[8],利用大型空間有限元軟件,建立了實體分析模型,針對不同索力狀態(tài)下,索鞍下方混凝土的應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析,確定了分絲管的受力特點。

      綜上所述,大量學(xué)者對矮塔斜拉橋的模型試驗雖然進(jìn)行了索鞍應(yīng)力分布規(guī)律以及索鞍局部混凝土應(yīng)力分布規(guī)律的多方面的實體分析,對索鞍局部混凝土的應(yīng)力狀況有了宏觀把握,但仍存在以下問題:建立的索鞍模型多采用近似形狀塊體,未能精確地描述鋼絞線分別通過多根分絲管的集中作用下,結(jié)構(gòu)的具體受力情況,故而對索鞍下部混凝土應(yīng)力分布規(guī)律的分析準(zhǔn)確性較低。因此,本文以ANSYS軟件通過建立精確鋼索鞍索塔模型,采用平均施加法將索力施加在各個對應(yīng)孔道上,分析索鞍與索塔混凝土之間的相互作用關(guān)系,還研究了不同直徑分索絲對矮塔斜拉橋索塔鞍座下方混凝土應(yīng)力分布的影響,為以后同類型橋梁設(shè)計提供基礎(chǔ)。

      1" 工程概況

      某單位設(shè)計的一座矮塔斜拉橋,其橋跨布置為(90+165+90)m,主橋索塔為分叉形索塔,底部中間距為1.5 m,分叉處距離橋面高約8.6 m,采用圓弧形過渡連接。如圖1所示,由于索鞍下方的塔橋受力較大,容易發(fā)生混凝土橋塔局部壓碎的情況,故本文對該橋的索鞍局部受力區(qū)域開展受力分析,通過精確建立鋼索鞍混凝土索塔模型,分析鋼制索鞍與索塔混凝土之間的相互作用關(guān)系。

      2" 索鞍及塔柱有限元分析

      鋼索鞍及索塔混凝土均采用Solid45單元,采用實體單元來模擬單個分絲管,分析時不考慮分絲管空洞對受力的影響。

      此時建模比較精細(xì),實體單元模擬了分絲管外形,導(dǎo)致單元數(shù)量巨大,索塔分析會變得困難。所以本次研究中,選擇對索塔A1、A2拉索(拉索編號為A1-A12,由塔側(cè)向跨中變化)進(jìn)行分析,針對索鞍和內(nèi)部鋼絲,不進(jìn)行建模,通過法向的面荷載來模擬拉索的作用力。如圖2所示,面力的大小可采用式(1)進(jìn)行計算,A1、A2拉索索鞍對應(yīng)的索鞍分絲管表面法向等效力計算結(jié)果如表1所示。模型/采用單元類型如表2所示。

      qx=FsR(1)

      式中:Fs——索力;

      R——索鞍半徑。

      矮塔斜拉橋索塔局部受力分析/宋建平

      通過面等效力來模擬自重及拉索分力的作用,由于模型單元較多,為減少計算時間,本次增設(shè)面對稱約束,利用1/4模型進(jìn)行分析。有限元模型詳見圖3~5。

      同時考慮了自身自重,以及拉索的垂向力,合計值為4.996 NMPa作用效應(yīng)的影響。

      2.1" 索鞍與混凝土接觸面相關(guān)計算結(jié)果云圖(圖6~10)

      由圖6~10計算結(jié)果可知,模型加載后,混凝土塔在索鞍下方沿Y軸產(chǎn)生了7.31~11.41 MPa均勻的壓應(yīng)力;X軸方向則整體基本是承壓的,在索鞍外形圓至過渡位置產(chǎn)生了最大的1.15 MPa的拉應(yīng)力。

      2.2" 索塔截面變化處應(yīng)力云圖(圖11~16)

      由圖11~16可知,從X軸方向索塔整體受力來分析,整個主塔在截面突變位置,會產(chǎn)生大約0.41~8.1 MPa的拉應(yīng)力(圖13),最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在圓弧頂部位置。經(jīng)分析,應(yīng)該是由于主塔下端的偏心力產(chǎn)生的。如圖15及圖16所示分別為Y軸方向索塔整體應(yīng)力云圖及X軸方向整體變形云圖。

      其中索塔下部應(yīng)力呈內(nèi)大外小的分布情況,上部卻與之相反呈內(nèi)小外大的特征。索塔下部整體變形主要集中在X軸方向,在距主梁頂面約5.5 m處的變形最大,約為0.296 mm。

      3" 不同直徑的分絲管受力影響分析

      因不同直徑的分絲管對索鞍下方混凝土的應(yīng)力分布情況有影響,為定性分析,利用已建立的有限元模型,在索力不變的情況下,進(jìn)行定量計算分析。本次分析選用了280 mm、300 mm、320 mm三種不同直徑的分絲管進(jìn)行分析,以此以不同直徑分絲管對鞍下混凝土受力的影響進(jìn)行研究。

      由表3可知,當(dāng)分絲管直徑變大時,索鞍下方混凝土的Y軸方向應(yīng)力依然保持均勻的壓應(yīng)力,但會隨著直徑變化而變??;X軸方向,壓應(yīng)力最大值也會隨著分絲管直徑變大而減小,而在外形圓至過渡位置拉應(yīng)力略微增加,但增加幅度較小,普通配筋即可滿足受力要求,壓應(yīng)力隨著直徑增大可以得到較大改善。

      由表4可知,不同的分絲管直徑對于索塔的整體應(yīng)力分布影響較小,索塔變形也差異不大,其影響幾乎可以忽略不計。

      4" 結(jié)語

      本文以某90+165+90 m矮塔斜拉橋為例,結(jié)合有限元模型分析,研究了分絲管鞍座下方混凝土應(yīng)力分布情況,并進(jìn)一步探討了不同分絲管直徑對索鞍下方混凝土受力的影響,得到以下結(jié)論:

      (1)在局部索鞍力及上部荷載的作用下,混凝土塔在索鞍下方沿壓應(yīng)力分布較為均勻;在分絲管曲線變化位置會產(chǎn)生拉應(yīng)力。分絲管直徑變大,鞍座下方混凝土橋梁縱向及豎向的壓應(yīng)力隨之減小,而在外形圓至過渡位置產(chǎn)生的縱向拉應(yīng)力略微增加,但增加幅度較小。C55混凝土采用普通構(gòu)造配筋即可滿足結(jié)構(gòu)受力及使用要求。

      (2)針對本項目分叉索塔造型,分絲管直徑變化對索塔整體變形影響較小,可以忽略不計。索塔沿著橋梁縱向會產(chǎn)生約0.3 mm的變形,此處需要采用張拉預(yù)應(yīng)力或者增設(shè)拉力結(jié)構(gòu)等措施,以防后期出現(xiàn)開裂,影響結(jié)構(gòu)安全,進(jìn)而改善局部受力情況。

      [1]張文海,李亞東.矮塔斜拉橋索鞍混凝土局部應(yīng)力分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)計,2009(1):42-44.

      [2]譚長建,祝" 兵,季文洪.矮塔斜拉橋索鞍節(jié)段模型試驗研究[J].中外公路,2008,28(4):170-172.

      [3]張樹清,屈計劃.矮塔斜拉橋索鞍靜力分析[J].交通科技,2014,266(5):25-27.

      [4]劉" 釗,孟少平,臧" 華,張宇峰.矮塔斜拉橋索鞍區(qū)模型試驗及設(shè)計探討[J].東南大學(xué)學(xué)報,2007,37(2):291-295.

      [5]張永為.矮塔斜拉橋索鞍受力分析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2009(3):89.

      [6]朱" 軍.矮塔斜拉橋索鞍受力分析[J].山西交通科技,2006,181(4):44-46.

      [7]王立峰,肖子旺,王子強(qiáng).矮塔斜拉橋索塔及索鞍區(qū)域空間應(yīng)力分析[J].中外公路,2012,32(6):188-191.

      [8]劉尊穩(wěn).鐵路矮塔斜拉橋索鞍區(qū)應(yīng)力分布的模型試驗及理論研究[D].蘭州:蘭州交通大學(xué),2012.

      20240507

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