独塔斜拉桥水滴形钢结构主塔力学特性.docx

第36卷第4期河南科技大学学报：自然科学版vol_36 no42015年8月journal of henan university of science and technology：natural scienceaug2015文章编号：16726871(2015)04006805独塔斜拉桥水滴形钢结构主塔力学特性周长青1，赵锐1，崔德永2，梁斌2，聂宁波1(1中铁十五局集团有限公司一公司，陕西西安710018；2河南科技大学土木工程学院，河南洛阳471023)摘要：研究了独塔斜拉桥水滴形钢结构主塔在成桥状态下的力学特性。以安徽涡河三桥为工程实例，通过有 限元计算分析，得到了水滴形钢结构主塔的位移及应力分布、三角形隔板及凹槽的局部应力以及主塔中应力 最大部位的应力分布等力学规律。研究结果表明：在成桥状态下，主塔的变形以竖向变形为主，其整体变形较 小，主塔刚度较大，截面设计合理；主塔的正应力、剪应力均以竖向为主，顺桥向和横桥向均较小，主塔主要处 于受压状态；主塔第一主应力较小，第三主应力较大，mises应力的变化规律与第三主应力较为一致；三角形隔 板、凹槽以及主塔应力最大部位的应力值，在材料的容许应力范围内并具有适当的安全储备。关键词：独塔斜拉桥；水滴形钢结构主塔；位移；应力 中图分类号：u4415文献标志码：ao引言斜拉桥的标志性建筑是索塔，按照索塔个数来分类，斜拉桥可分为多塔斜拉桥、双塔斜拉桥和独塔 斜拉桥。资料显示，独塔斜拉桥占世界斜拉桥的14到16。近年来：为了满足人们对桥梁景观功能 的要求，许多城市修建了一系列造型新颖的异形独塔斜拉桥，如花瓶形主塔、钻石形主塔、折线形主塔和 曲线形主塔等，成为城市地标。异形独塔斜拉桥的构造和受力非常复杂，传力机理不明确，应力集中问题较突出，而采用传统的杆 系模型和设计规范的简化计算方法难以准确地确定结构受力情况。!。目前，国内较少对这种类型的 桥梁进行全面、深入的总结和研究。文献5研究了混凝土折线塔主塔折角等关键部位的力学特性。 文献6分析了波形钢腹板箱梁斜塔无背索斜拉桥的地震响应。文献7采用有限元方法建立空间板 壳模型，分析了异形斜拉桥塔梁固结段和后锚点区域空间应力分布情况。相关的研究工作还包括文献 811。安徽涡河三桥是中国第一座水滴形钢结构主塔斜拉桥，以“上善若水，水利万物而不争”为出发点， 将水滴形状与桥塔外形结合起来，充分体现了人与自然的和谐统一。由于采用弧线相切的设计特点，整 个主塔结构会受到较大的弯矩作用而处于相对不利的受力状态。本文建立全桥有限元结构模型，计算 成桥状态下主塔的位移、正应力、剪应力、第一主应力、第三主应力、mises应力以及主塔的三角形隔板、 凹槽和应力最大等关键部位的应力分布。通过分析该类异形主塔空间变形特性和应力分布规律，为同 类桥塔设计与施工提供参考。1工程概况本工程为独塔双跨的双索面半漂浮体系斜拉桥，桥梁总长848 nl，主桥为(124+124)m。斜拉索采 用镀锌钢绞线，主梁采用预应力混凝土双边箱梁。主塔为国内首次采用水滴形钢结构主塔，总高109 m，桥面以上高86 iti，其中，上塔柱采用全钢塔柱，高度为80 11q，中塔柱为实心混凝土塔柱，设置6 m高 钢混结合段。塔柱顺桥向采用垂直布置，上塔柱顺桥向宽度为65 in，下塔柱宽度自横梁底缘的70 m 线性渐变至塔底的90 ill。塔柱横桥向采用曲线变化线型，各段均采用圆弧线相切。主塔选用的q345d型钢材弹性模量e=206 gpa，密度p=7 800 kgm 3，泊松比弘=03；中塔柱和下基金项目：河南省重点科技攻关基金项目(082102230026) 作者简介：周长青(1968一)，男，河南洛阳人，副总工程师，高级工程师，主要从事桥梁工程方面的研究 收稿日期：20141008万方数据第4期周长青，等：独塔斜拉桥水滴形钢结构主塔力学特性69塔柱选用的混凝土为c50，其弹性模量e=345 gpa，密度p=2 500 kgm 3，泊松比弘=025。预应力钢 绞线和斜拉索均采用8152钢绞线(5代表钢绞线，中5152表示由一定根数的镀锌钢丝绞合在一起 的公称直径为152 mm的钢绞线)，其抗拉强度为186 gpa。2有限元分析模型21主塔有限元建模在ansys有限元软件中确立整体坐标系，x轴方向为横桥向，y轴方向为顺桥向，z轴方向为竖直 方向。主塔中钢结构部分用solidl85孔单元模拟，钢混结合段用solidl85(外层钢结构部分)和 solid65。1副(内部混凝土部分)两种单元模拟，拉索用linkl80 模拟，主梁用solid65单元模拟。其 中，solidl85单元为一般实体单元，不需要设置单元实常数；solid65单元是专为混凝土、岩石等抗压 能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单元，它可以采用定义实常数的方法来模拟混凝土中的加强 钢筋以及材料的拉裂和压溃现象。全桥的有限元模型如图1所示，左右塔柱的内部构造如图2所示，左右塔柱用三角形隔板和凹槽进行连接，其模型图如图3所示。全桥共有112万个节点，369万个单元， 模型的边界条件为主塔底部及主梁两端全部采用固结约束。图1全桥空间有限元分析模型图2左右塔柱的内部构造图图3三角形隔板、凹槽模型图22成桥状态下荷载工况与主要计算内容 成桥状态下荷载包括一期恒载和二期恒载。其中，一期恒载包括主梁、桥塔的自身质量，按实际断面计算，横梁按集中荷载考虑；二期恒载包括桥面铺装、防撞护栏等；挂篮荷载220 t。桥面铺装为10 cm沥青混凝土。混凝土容重取2 500 kgm3，沥青混凝土容重取2 400 kgm 3，含防撞护栏以及检修道护栏 二期恒载为210 knm。将以上成桥状态下各荷载施加在有限元模型中相应部位，进行结构静力计算。由于桥塔基本上只 受竖向荷载，大多情况下在线性状况工作，所以计算中未考虑材料的非线性。本文主要计算成桥状态下主塔的位移、正应力、剪应力、第一主应力、第三主应力、mises应力、关键 部位(三角形隔板、凹槽以及主塔应力最大部位)的应力分布等内容，并对计算结果进行分析研究，得出 相应的力学规律。3主塔的整体计算结果及分析考虑到主塔在索力作用下，索力的纵横桥向分力会相互抵消，主要承受竖向压力，再加上水滴形主 塔构造上的复杂性，本文选取主塔左边塔柱内侧沿高度方向的角线为数据提取路径，并将路径长度换算 成相应的主塔的高度，对主塔的位移、正应力、剪应力、第一主应力、第三主应力和mises应力的变化规 律作详细的研究。其中，图4图7的横坐标表示主塔桥面以上的高度。31主塔的位移 在成桥状态下，通过有限元数值模拟，分别计算出主塔的位移沿塔高的变化曲线，如图4所示。 从图4可以看出：在成桥状态下，主塔横桥向的位移在塔底部较大，且方向发生改变，这是由于底部万方数据70河南科技大学学报：自然科学版的弧线凹凸方向发生改变所导致的结果。随着高度的增加，横桥向位移变小，在塔顶处横桥向基本没有 位移，接近于0 mm。顺桥向位移较小，过渡均匀，最大值为1000 mm左右，发生在塔顶部。主塔以向 下位移为主，随着高度的增大位移也逐渐增大，最大位移为一4490 mm。主塔的总体变形不大，且变形 过渡均匀，底部总位移较小，塔顶位移最大，没有明显位移突变现象。总位移的大小在数值上接近于竖 直方向的位移，最大值为4597 mm，为塔高的0053，满足设计要求，说明主塔刚度满足要求，截面设 计合理。32主塔的正应力在成桥状态下，主塔沿塔高的正应力变化曲线如图5所示。从图5可以看出：横桥向和顺桥向的正 应力均较小，但是拉应力和压应力均有出现，这是由于斜拉索的存在改变了主塔的受力状况。主塔的正 应力以竖向应力为主，且基本都是压应力，最大值为23479 mpa，此值出现在桥面以上塔高为8 m处。o0： 5005o0暑，4，2， 0目岂山 乏巧0 50宴o浍r 5g 0型00e5一之0 004 05o0m眨h加勉筋 0高度m图4位移沿王塔高度的变化曲线图图5正应力沿主塔高度的变化曲线图由于按此路径得到的应力以压应力为主，拉应力出现的范围和数值均较小，因此有必要计算出主塔 的最大拉应力。计算云图显示，最大拉应力为207 mpa，为竖向拉应力，此值略小于23479 mpa。在主塔所承受的正应力中，由于横桥向和顺桥向的正应力均较小，所以主塔主应力的大小应由竖向 正应力来决定，因此主应力的最大值约为23479 mpa。钢结构设计规范(gb 50017-2003)列中， q345d钢材(板厚t在16 mm至40 mm之间)的抗拉抗压强度设计值为295 mpa，大于23479 mpa，说 明主塔满足承载力极限状态的设计要求并有适当的安全储备。33主塔的剪应力 在成桥状态下，主塔沿塔高的剪应力变化曲线如图6所示。从图6可以看出：主塔所承受的剪应力中，横桥向和顺桥向的剪应力值均较小，在高度为8 m处有所波动；xy方向的最大值为1858 mpa，yz方向的最大值为3069 mpa。从整体来看，3个方向的剪应力中，xz方向即竖向剪应力对主塔起主要控 制作用，在塔高8 1ti处达到最大值，最大值为9013 mpa。钢结构设计规范(gb 50017-2003)纠中， q345d钢材(板厚t在16 mm至40 mm之间)的抗剪强度设计值为170 mpa，大于9013 mpa，故主塔满 足承载力极限状态的设计要求并有适当的安全储备。34主塔的第一、第三主应力和mises应力 在成桥状态下，主塔沿塔高的第一主应力、第三主应力及mises应力值变化曲线如图7所示。 如图7所示，成桥状态下主塔的第一主应力较小，拉压应力均有出现，拉应力值不超过20 mpa。第三主应力较大，均为压应力，最大值为26104 mpa，出现在塔高8 m处。mises应力值的变化规律和第 三主应力较为接近，最大值为25376 mpa，出现在塔高8 m处。由于按此路径得到的第一主应力中主拉应力值较小，因此有必要计算出主塔的最大主拉应力。计 算云图显示，最大主拉应力为19300 mpa，此值小于最大主压应力(26104 mpa)。钢结构设计规范(gb 50017-2003)引中，q345d钢材(板厚t在16 mm至40 mm之间)的抗拉抗压强度设计值为295 mpa，此值均大于上述的最大主拉应力(19300 mpa)、最大主压应力(26104万方数据第4期周长青，等：独塔斜拉桥水滴形钢结构主塔力学特性71mpa)以及最大mises应力值(25376 mpa)，说明主塔满足承载力极限状态的设计要求并有适当的安全 储备，主塔的强度满足要求。斜拉桥主塔的受力状况一般都是越往底部受力越大，但是本工程中主塔受力最大处并不在主塔的 底部而是在塔高8 m处。这是由于虽然底部受力较大但底部的设计截面也较大，另外设计时采用弧线 相切的变化特点，也导致了薄弱环节并不在塔底。从整体来看，沿塔高的位移和应力均符合规范和设计 要求，刚度和强度符合条件。030204，：， 0o2，1删目0山山宝皇 0r o之o 0遥4 0r翻倒总 00一2 0o巧o。f o 23 如如o9 0m0高度m图7第一主应力、第三主应力及mises应力图6剪应力沿塔高的变化曲线图沿塔高的变化曲线图4关键部位的应力计算结果及分析41三角形隔板、凹槽的应力计算结果及分析 左右塔柱间的三角形隔板、凹槽作为主塔左右两部分的横向联系，其受力特点对整个主塔的安全性起到重要作用，因此需建立模型分析其受力特点，模型图如图3所示。丑(；一-106计算结果表明：三角形隔板在成桥状态下，大范围受压、上部小范：顺围受拉，压应力最大值为8779 mpa，拉应力最大值为5056 mpa，均满桥一：向足q345d钢的承载力设计要求。凹槽在索力的作用下，大范围受压、3 ：_5局部受拉，最大压应力为15179 mpa，最大拉应力为1094 mpa，均满一：内侧42足q345d钢的承载力设计要求。：42主塔应力最大部位的应力计算结果及分析：一静力计算表明主塔最大应力值出现在塔高8 m处，因此，需对此高117一一；度处的横截面内应力分布做进一步的分析，左右塔柱截面的平面图如图8所示，主要分析图8中120位置处的应力值。表1只列出了应力图8左右塔柱截面平面图较大位置处的应力值。表1塔高8 m处各位置的应力值mpa万方数据72河南科技大学学报：自然科学版2015拄计算结果表明：点18、1920的应力值整体上大于点918的应力值，即塔柱内侧的应力值大于 外侧的应力值。截面内的最大剪应力为9013 mpa，最大拉应力为2860 mpa，最大压应力为23479 mpa，主拉应力最大值为5625 mpa，主压应力最大值为26104 mpa，mises应力值最大为25376 mpa。 q345d钢(板厚f在16 mm至40 lrlm之间)的抗剪强度设计值为170 mpa，抗拉抗压强度设计值为295 mpa，均大于截面的最大相应应力值，说明截面构造设计合理。5结论(1)主塔横桥向和顺桥向位移较小，竖向位移在整个主塔的变形中起主要作用，位移过渡均匀，最 大位移出现在主塔的顶部，占主塔高度的0053。总体变形较小，主塔刚度满足要求，截面设计合理。(2)主塔剪应力、正应力均以竖向应力为主，第一主应力较小，第三主应力较大，mises应力的变化 规律与第三主应力较为一致，主塔主要处于受压状态。由于底部受力面积较大以及采用弧线相切的变 化特点，最大应力值不出现在塔底而是距主塔底部一定高度处。主塔整体应力值均在所选材料的容许 应力范围内并有适当的安全储备，水滴形主塔强度满足规范和设计要求。(3)三角形隔板、凹槽以及主塔应力最大部位的应力都在容许应力范围内。左右塔柱问的三角形 隔板、凹槽作为主塔左右两部分的横向联系，受力较为复杂，但应力值均在材料的容许应力范围内。应 力最大处的截面应力分布较为合理，满足