部分斜拉桥塔梁墩固结点局部应力分析

文章编号:1003 - 4722(2008)01 - 0054 - 04 部分斜拉桥塔梁墩固结点局部应力分析 虞庐松,朱东生 (兰州交通大学土木工程学院,甘肃 兰州730070) 摘 要:庆淄路惠青黄河公路大桥为部分斜拉桥,矩形桥塔,塔梁墩固结,桥塔处主梁设置有 斜向横隔板。建立其塔-梁-墩固结部位的三维有限元模型,分析该部位的局部应力。重点分析 桥塔作用在主梁上的荷载对0号块主梁应力的影响,以及竖向及横向预应力荷载的效应。 关键词:部分斜拉桥;桥塔;箱形梁;0号块;局部应力;有限元法 中图分类号: U448. 27文献标识码: A Local Stress Analysis of Rigid Fixity Joint of Pylon , Girder and Pier of an Extradosed Bridge YU Lu2song , ZHU Dong2sheng (School of Civil Engineering , Lanzhou Jiaotong University , Lanzhou 730070 , China) Abstract : The Huiqing Huanghe River Highway Bridge at Qingzi Road is an extradosed bridge with rectangular shape pylons , rigid fixity of the pylons , girder and piers and with inclined diaphragms arranged in the main girder nearby the pylons. In this paper , the three2dimensional finite element model is established for the part of the rigid fixity to analyze the local stress at the part and particular efforts are made to analyze the influence of load action from the pylon to the main girder on the stress of segment No. 0 of the girder and also the effect of vertical and lateral prestressing load. Key words : extradosed bridge ; pylon ; box girder ; segment No. 0 ; local stress ; finite element method 收稿日期: 2007 - 03 - 21 基金项目:兰州交通大学 “青蓝” 人才工程计划资助(QL200418) 作者简介:虞庐松(1968 - ) ,男,副教授,1990年毕业于兰州铁道学院桥梁工程专业,工学学士,1993年毕业于兰州铁道学院桥梁与隧道工程 专业,工学硕士,1999年毕业于西南交通大学桥梁与隧道工程专业,工学博士。 1 引 言 部分斜拉桥又称矮塔斜拉桥1,自2001年国内 第一座混凝土部分斜拉桥-漳州战备大桥建成,这 种桥型在国内发展较快,目前在建的庆淄路惠青黄 河公路大桥是一座部分斜拉桥,采用双塔单索面三 跨、 塔梁墩固结结构体系,主跨布置为(132. 8 + 220 + 132. 8) m ,塔高34. 4 m ,矩形桥塔,桥塔顺桥向尺 寸为4. 5 m ,横桥向为2. 2 m ,主塔下的桥墩为双壁 式矩形桥墩,桥墩横向宽度与主梁底板相同,顺桥向 宽度1. 7 m ,两墩之间的中心距为6 m。 主梁为单 箱三室箱形截面,设有三向预应力,顶板宽20 m ,桥 塔处梁高7. 5 m。主梁0号块长13 m ,设置2道斜 置的横隔板,2道横隔板之间中室部分为实体,边室 部分为空心,在横隔板边室处设有1. 5 m0. 8 m 的过人洞。 2 计算模型及荷载简介 由于本桥跨度较大,桥塔尺寸小,塔梁墩固结, 主梁采用三向预应力,桥墩为双壁式,为准确把握主 梁0号块的受力情况,采用有限元法,在总体分析的 45桥梁建设 2008年第1期 基础上,单独建立对0号块进行局部分析的三维有 限元模型,以便了解不同荷载作用下该位置截面的 应力分布情况。 2. 1 计算模型 塔梁墩固结点局部应力分析采用有限元通用程 序ANSYS进行2。计算选用8节点三维等参元 (ANSYS中的solid45单元) ,0号块的网格划分较 细,其他部分网格较粗,见图1。计算模型共有 315 110个实体单元,116 713个节点。 图1 有限元分析模型 为避免边界效应影响3同时又便于施加荷载, 所取计算模型范围如下:横桥向取主梁全宽;纵桥向 以桥塔中心为对称点,沿两侧各取23 m ,即计算模 型沿桥纵向的总长度为46 m ;在竖向,塔的计算高 度取22 m ,即锚固点最低的1号斜拉索锚固面之 下,下部结构取至墩底,计算高度为20 m。计算模 型中除未考虑箱梁内部的竖向梗腋外,其他尺寸与 原结构完全相同。 2. 2 计算荷载 边界条件为墩底固接,其他部分自由,荷载包括 计算模型的自重、 计算模型范围内的全部预应力、 根 据杆系分析得到的主梁两端的内力、 塔上距梁顶面 22 m位置处的内力。为分析不同荷载对塔梁墩固 结位置应力的影响,选取了4种工况进行计算研究, 限于篇幅,本文仅列出2种工况下的计算结果,所施 加的计算荷载如下。 工况1 :仅有桥塔上的荷载,即桥塔截断截面处 的内力(轴力67 100 kN ,弯矩702 kNm ,剪力90 kN) 。 工况2 :仅有主梁上的横向预应力和竖向预应 力。顶板横向预应力筋每隔0. 5 m有1根3 j15. 24 的钢绞线,0号块斜置横隔板上(包括横隔板下的底 板)沿梁高方向有6层横向预应力筋,每层有4根 4 j15. 24 的钢绞线。竖向预应力筋除桥塔中心两侧 各19. 5 m范围内的边腹板上每隔0. 5 m有2根 32 mm精轧螺纹钢外,其余边腹板和中腹板上每 隔0. 5 m有1根 32 mm的精轧螺纹钢,另外,在0 号块斜置横隔板上以及塔下中室实体部分还有102 根 32 mm的竖向精轧螺纹钢。 3 桥塔荷载单独作用时的计算结果 由于桥塔作用在主梁0号块上的荷载较大,且 集中在一个较小的范围内,因此首先根据上述的计 算模型分析了桥塔荷载单独作用时0号块的应力分 布情况。图2为竖向应力在0号块横截面、 纵剖面 及斜横隔板剖面上的分布,图3为横向应力在0号 块横截面、 纵剖面及斜横隔板剖面上的分布(图中包 括了部分桥墩及桥塔,应力以拉为正,下同)。 计算结果表明,仅有桥塔荷载作用时,0号块的 应力分布具有如下特点: (1)桥塔上的荷载主要是竖向荷载,该竖向荷 载作用到主梁上后,由于斜横隔板面积较大,且2个 桥墩位于斜横隔板底部,竖向荷载迅速扩散。主梁 上竖向压应力较大的是桥塔正下方1 m范围内的 区域,其他位置竖向压应力都较小。 图2 0号块竖向应力等值线(桥塔荷载单独作用时) 55部分斜拉桥塔梁墩固结点局部应力分析 虞庐松,朱东生 图3 0号块横向应力等值线(桥塔荷载单独作用时) (2)由于计算中没有在桥塔与主梁相交位置处 设置过渡段,因此在该相交位置处存在应力集中现 象,但应力并不大,相交位置的最大竖向压应力不超 过10 MPa。 (3)在斜横隔板上,竖向压应力存在明显的扩 散线,如图 2(c) 所示。受斜横隔板宽度和过人洞的 影响,在主梁下部,竖向压应力的扩散与一般规律 不同。 (4)斜横隔板上的过人洞对竖向应力影响不 大,但对横向应力影响较大,在过人洞的角点附近, 有较大的横向拉应力,最大值达到1. 3 MPa。 (5)在0号块的许多位置,横向应力为拉应力, 但横向拉应力较大超过1 MPa的区域有3个:一是 过人洞的角点附近,二是桥塔正下方0号块主梁底 板的中间区域,三是斜横隔板与主梁顶板相交处中 室的梗腋位置。本桥设计中在顶板及斜横隔板上施 加了横向预应力,其影响范围也主要在顶板及斜横 隔板上,对于横向拉应力较大的另2个区域基本没 有影响,考虑混凝土收缩及温差等因素引起的拉应 力,这些区域可能产生裂缝。 (6)本桥在斜横隔板及中室实体段设置了较多 的竖向预应力钢筋,从计算结果来看,在斜横隔板及 中室实体段竖向应力大多为压应力,个别位置的拉 应力也不超过0. 1 MPa ,从控制斜横隔板及中室实 体段竖向拉应力的角度来看,在这些位置可以不设 置竖向预应力。 4 竖向及横向预应力作用下的计算结果 在分析竖向及横向预应力作用的效果时(不包 括其他荷载 ) , 为与实际情况接近,对分析模型进行 了简化(没有包括桥塔部分,其他部分与前面介绍的 模型一致)。图4、 图5分别为横向及竖向预应力作 用下0号块部分截面的竖向应力及横向应力等 值线。 计算结果表明: (1)在竖向预应力作用下,边腹板、 中室实体段 及斜横隔板在竖向均处于受压状态。 (2)横向预应力主要施加在顶板和斜横隔板 上,由于桥塔荷载在其正下方位置的底板上产生1 MPa左右的横向拉应力,而横向及竖向预应力在该 位置产生的横向压应力仅有0. 5 MPa左右。此外, 分析发现:在自重及纵向预应力作用下,该位置也有 较大的横向拉应力。 (3)由于顶板上的翼板是变厚度的,而顶板上 的横向预应力是锚固在翼板边缘的中心,因此,在顶 板与边腹板相交位置,翼板的下缘有较大的横向拉 应力。 (4)由于边腹板上的竖向预应力与边腹板是平 行的,而边腹板是斜腹板,与底板并非正交,故在底 板上边腹板竖向预应力锚固位置附近出现了较大的 图4 0号块竖向应力等值线(竖向及横向预应力作用时) 65桥梁建设 2008年第1期 图5 0号块横向应力等值线(竖向及横向预应力作用时) 横向拉应力。 5 结 论 (1)本桥塔梁墩固结区的结构设计是合理的, 虽然本桥跨度大,桥塔横截面尺寸也很小,主梁0号 块只在中室部分做成实体段,但0号块的各项应力 均未超过允许值。特别是0号块的横隔板斜置,有 效地将桥塔荷载传递到相邻的2个桥墩上。 (2)在自重、 纵向预应力及上述2种荷载的共 同作用下,桥塔正下方区域底板上的横向应力也为 拉应力,在2个桥墩之间的底板上施加横向预应力 是必要的。 (3)受翼板变厚度的影响,在顶板横向预应力 的作用下,顶板与边腹板相交位置的翼板下缘有可 能产生裂缝,应合理设计顶板横向预应力以及顶板 与边腹板之间的梗腋。 (4)斜横隔板上的过人洞对斜横隔板的总体受 力和安全性影响不大,为了避免因应力分布不均匀 在过人洞周围产生纵向裂缝,可在过人洞周围的斜 横隔板上设置必要的构造钢筋。 (5)由于边腹板竖向预应力的影响,在底板上 边腹板竖向预应力锚固区附近有较大的横向拉应 力,设计时应注意采取适当的构造措施。 参 考 文 献: 1 严国敏.试谈 “部分斜拉桥”-日本屋代南桥,屋代北 桥,小田原港桥J .桥梁建设,1996 ,(1) :47 - 50. 2 谭建国.使用ANSYS6. 0进行有限元分析 M .北 京:北京大学出版社,2002. 3 郑振飞,徐 艳,陈宝春.深圳北站大桥拱墩固结点局 部应力分析J .中国公路学报,2000 ,13(2) :69 - 72. (上接第49页) 钉剪力波动也就越大。 根据图4不同钢锚箱节段连接时剪力钉剪力的 分布看出,钢锚箱分段数目越少,剪力钉的受力相对 波动越少,受力越合理,因此,最合理的连接方式是 所有的钢锚箱全部连接为一体。 5 结 论 结合具体工程,通过对组合索塔锚固区三维实 体有限元模型,计算了剪力钉剪力在索塔的分布情 况。比较钢锚箱底部端面与钢锚箱连接与否的剪力 钉剪力分布,得到二者连接时剪力钉剪力分布较合 理。比较钢锚箱采用不同数目的分离段时的剪力钉 剪力分布,得到所有钢锚箱全部连接时的剪力钉剪 力分布较合理。因此在斜拉桥钢锚箱组合索塔中, 把所有钢锚箱焊接成一个整体,而且下部必须和混 凝土上的钢垫板紧密结合,是剪力钉受力最合理的 一种结构形式。 参 考 文 献: 1 范 立础.世界最大跨径的斜拉桥 法国诺曼底 (Normandy)大桥的