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矮塔斜拉桥的0号块塔梁固结段局部应力分析
深圳高速公路有限公司
摘要:本文以某矮塔斜拉桥为工程背景,通过大型有限元软件MIDAS/FEA建立0号块塔梁固结段的空间实体模型,对其空间应力分布规律进行分析,并深入探究影响应力集中的几个主要因素,同时提出降低应力集中的解决方法。
前言:矮塔斜拉桥亦称部分斜拉桥,是近年来新出现的一种桥型,介于常规的斜拉桥与传统的梁式桥之间,是斜拉桥和梁式桥的组合结构体系。与常规的斜拉桥相比,矮塔斜拉桥的桥塔较矮,因此被称为矮塔斜拉桥。矮塔斜拉桥兼有斜拉桥与梁式桥的优点,其造型美观、技术先进、造价低、施工方便,得到国内外很多专家的认可,发展迅速。
矮塔斜拉桥的受力是以梁为主,索为辅,所以梁体高度介于梁式桥与斜拉桥之间,大约是同跨径梁式桥的1/2倍或斜拉桥的2倍。截面一般采用变截面形式,特殊情况采用等截面。结构体系有塔梁固结、梁底设支座;塔墩固结、塔梁分离;塔梁墩固结的3种形式。
国内目前对矮塔斜拉桥零号块的空间应力研究相对较少,虽有一些研究成果出现,但存在着较大的局限性,目前主要集中在塔墩梁固结体系的研究,塔梁固结、梁底设支座的结构体系的研究为数不多。上述情况,本文以某矮塔斜拉桥为工程背景,对其0号块塔梁固结段的空间应力进行分析。
1 工程概况
本文所分析的桥梁结构为跨径83+140+83m的双塔双索面混凝土矮塔斜拉桥,塔梁固结、梁底设支座的结构体系。桥型布置图见图1,塔高30m,主梁采用单箱3室截面,,,,梁底按照2次抛物线变化,底板厚度按直线变化,13号~19号块(跨中),13号块~20号块(边跨),。,横隔梁厚
3m,。0号块梁底设置两个大吨位支座,支座中心与塔顶中心线重合,,横隔梁在支座位置处做了局部加强处理(详见图2)以承受大吨位的支反力。


图1:桥型布置图(单位:cm)
2、有限元模型
采用大型有限元软件MIDAS/FEA建立0号块塔梁固结段的几何模型。为排除圣维南效应对0号块塔梁固结部位受力的影响,保证固结部位应力结果的精确度,模型中塔柱及主梁均模拟了足够的长度以防止因模型长度过短而造成重点分析部位的应力结果失真,其局部分析模型长度为,主梁沿顺桥向取28m(从桥塔中心线向两侧各延伸14m至3号块节段),桥塔高度取10m,占整个桥塔高度的1/3。模型3D图如图2所示。

图2:塔梁固结段模型
利用MIDAS/FEA程序中的几何建模功能以及自动网格划分功能建立有限元模型,为了减少整体结构的分析时间,分析过程仅针对1/2模型。主梁混凝土采用四面体3D单元生成实体网格。在梁端截面、塔顶截面以及支座形心处建立刚臂,以方便将杆系模型提取的内力施加到实体模型上。
主桥采用三向预应力体系,塔梁固结部位配置了大量预应力钢束,包括顶板横向预应力钢束,顶板纵向预应力钢束,腹板纵向预应力钢束,在有限元模型中预应力钢筋单元采用植入式钢筋单元,可不考虑单元分割而独立建模,属于非协调型网格。有限元模型及预应力钢束见图3所示。

图3:塔梁固结段1/2有限元模型及预应力钢束
MIDAS/CIVIL中提取的荷载值取弹性组合和短期组合的最不利工况,荷载大小见下表。


3 塔梁固结段局部应力的计算分析
,,梁底仅设2个支座,顺桥向0号块位于负弯矩区,在横桥向,0号块可比拟成一根简支梁,在塔顶轴向压力,恒载及车辆荷载作用下,梁底下挠将可能出现较大的拉应力,因此在结果分析中属于重点关注部位。图4是0号块在自重、顶板横向预应力、梁端及塔顶轴力、弯矩、剪力几种工况组合下,横桥向应力云图;
从图4中可以看出,0号块横桥向顶板应力水平在-~-,均为压应力,~,,远远超过了C50混凝土的抗拉强度设计值,因此考虑在0号块底板增设横向预应力来抵抗主梁恒载和成桥后活载在横桥向产生的竖向挠动。初步设计中0号块横隔梁厚度仅为3m,难以承受墩顶较大的剪应力及负弯矩,同时造成底板横向预应力布筋过密,给施工过程中混凝土振捣带来不便,鉴于此多方面原因的考虑,将0号块横隔梁厚度改为4m,增设的0号块底板横向预应力钢束见图5所示;


图5:塔梁固结段0号块底板横向预应力钢束
0号块翼板悬臂在桥塔、横隔梁及斜腹板交汇区的区域几何外形较复杂、倒角较