典型矮塔斜拉桥施工过程中敏感区域局部受力分析

文献标识码：B

No．3（Total

No．237）June2019

文章编号：1001－7291（2019）03－0022－04

·桥隧工程·

典型矮塔斜拉桥施工过程中敏感区域局部受力分析俞勇民，俞宽溪

（上饶市宏优公路勘察设计院有限公司，江西

上饶334000）

摘要：矮塔斜拉桥是近些年来在斜拉桥基础上发展起来的一种新型的桥梁结构形式，其塔身上设有转向鞍座，鞍座形式主要有双管和分丝管结构。目前国内不少学者对矮塔斜拉桥桥塔索鞍区局部应力进行了研究，以某典型矮塔斜拉桥为研究对象，采用空间有限元方法计算了矮塔斜拉桥索鞍区的受力情况，将施工阶段最大悬臂状态下的索力按照等效简化荷载及边界条件对其加载，分析了斜拉桥敏感区包括桥塔索鞍区混凝土、钢箱梁横隔板、局部梁段，管道的受力特点和运用有限元方法对其进行力学分析比较，并对桥塔索鞍区的设计、横隔板布置提出了建议。

关键词：矮塔斜拉桥；索鞍；有限元；局部受力

矮塔斜拉桥是近些年来在斜拉桥基础上发展起来的一种新型的桥梁结构形式，其塔身上设有转向鞍座，鞍座形式主要有双管和分丝管结构。目前国内不少学者对矮塔斜拉桥桥塔索鞍区局部应力进行了研究，对矮塔斜拉桥索鞍区进行了模型试验研究，采用空间有限元法对单索面矮塔斜拉桥索鞍区局部应力进行了研究，采用空间有限元法对双索面矮塔斜拉桥索鞍区局部应力进行了研究，但是这些斜拉桥的宽度仅限于30m以下。本文就单索面、宽为33.5m的矮塔斜拉桥，采用空间有限元法对其索鞍区、钢梁横隔板和局部梁段等敏感区域施工阶段局部应力进行分析。11.1

有限元模型建立桥梁概况

某矮塔斜拉桥是国道工程上的一座桥梁，该桥为矮塔斜拉桥，主桥采用双塔单索面、塔梁固结、墩塔分离、墩顶设置支座的结构形式，全长331m，如图1。主桥梁体采用变截面箱梁形式，箱梁截面采用大悬臂单箱三室形式。主梁采用抗风性能较好的单箱三室断面箱梁形式。梁体全宽33.5m，采用单箱3室

*

04-29收稿日期：2019-

加撑板悬臂的形式，撑板悬臂部分在箱体两侧各8.5m，箱体宽度为16.5m。主桥梁体采用悬臂施工法施工，按照施工阶段梁体可分为两个0号块，长度各16.2m，64个现浇块，长度有3m和4.5m两种，靠近中墩的梁段较短为3m，靠近跨中的梁段较长为4.5m。两个边跨合拢段长度为各1.8m，两个边跨支架现浇段长度各为14.6m。中跨合拢段为1.8m。

桥塔为上端小，下端大的梯形，全高28m，桥塔与横梁固结，采用C50混凝土，斜拉索为单索面布置，每个桥塔12对，每对横桥向布置2根OVM250AT－48钢绞线拉索。斜拉索成扇形布置，张拉端位于梁体内，锚固于中箱室内的斜拉索锚块上，桥塔上设置斜拉索的转向装置，不设锚具，转向装置为48孔分丝的转向管，在转向管两端设置斜拉索固定装置防止斜拉索滑动。塔上套管外径273mm，厚20mm，斜拉索采用48根钢管阻焊而成，套管内灌有环氧砂浆。1.2

有限元模型及物理参数

横隔板及U形加劲肋采用SHELL63板壳单元模

2019年第3期俞勇民等：典型矮塔斜拉桥施工过程中敏感区域局部受力分析

—23—

拟，钢桥面板及SMA（沥青玛蹄脂碎石混合料）铺装层采用SOLID45空间8节点等参元模拟，桥面自桥梁中心线沿横桥向取八个U形加劲肋，纵桥向取三跨，包括四块横隔板，具体有限元模型见图1所示。本模型参数均取自该悬索桥方案标准梁段，详细参数如下所示：

U形加劲肋高度为280mm，肋开口宽度300mm，肋闭口宽度170mm，厚度6mm，两相邻加劲肋中心间距600mm；横隔板高度为3m，厚度为8mm（非吊索处）；钢桥面板厚度为12mm；T形加劲肋板规格为550×200×10mm；铺装层为SMA铺装，厚度为70mm。

该桥桥塔采用SOLID65单元模拟，弹性模量为3.45E4MPa，泊松比为0.2，密度为2500kg/m3，其标准抗压强度为32.4MPa，标准抗拉强度为2.65MPa。经过离散单元数为75900个，节点19179个；套管采用SOLID45单元模拟，弹性模量为2.06e4MPa，泊松比为0.3，密度为7698kg/m3，单元数为3600个，节点7440个。其中套管采用扫略网格划分，其中套管径向划分为30段，截面均分为20段，而桥塔混凝土采用自由网格划分。

图1主桥布置示意图

大桥采用的是悬臂施工，中跨合拢前，此处是最大悬臂状态，为施工的最不利状态。本文采用大型有限元软件Ansys对该桥施工阶段最大桥塔索力时上面三个索鞍区的应力状态进行研究，分析索鞍区混凝土和索道的受力特点，并对桥塔索鞍区的设计提出了建议。1.3

荷载及边界条件

本文桥塔底部按直接固结处理，荷载工况采用最不利荷载时的索力，首先用MIDAS/CIVIL软件对全桥进行施工阶段模拟，得出最大悬臂状态时1～3号索的索力，如表1。

表1

最大悬臂状态下各索索力表

索号拉索面积/mm2

最大悬臂状态索力/N

16720

4．9228E6

267204．8694E63

6720

4．8060E6

注：索鞍中由上而下的索号分别为1，2，3。由于施工时桥塔斜拉索套管端部同时被锚固住，故可忽略拉索与管壁间的径向摩擦，由平衡条件将作用于套管壁的径向线均布压力等效为，其中为单根索张力，Ｒ为套管弯曲半径，大小为300cm，然后再将径向均布力采用集中载荷的形式等效到套管的截面下部45度方向节点上去。2鞍座应力计算结果2.1

桥塔混凝土受力分析

桥塔混凝土第一主应力等值线如图2（图中应力单位为MPa，下同）所示，由桥塔混凝土最大主拉应力出现在1号索鞍端部位置，其值为5.558MPa，分布范围小，相对2号与3号索鞍，其最大主拉应力要大。最大主压应力－1.16MPa，其值很小。2.2桥塔各个索鞍受力分析

1号索鞍的应力如图2～图3所示，其竖向最大主拉应力为4.702MPa，且应力较大值分布在索鞍端部位置，但范围小；顺桥向的最大主拉应力和压应力均在索鞍端部位置，其值都较小，分别为1.284MPa和－3.883MPa。如图4～图5所示为2号索鞍的应力云图，其竖向和顺桥向的主拉应力和主压应力均较小，最大主拉应力分别为1.606MPa和0.766MPa，最大主压应力分别为13.212MPa和－4.109MPa，均

不超过混凝土C50的标准抗拉和抗压强度值。图6～图7为3号索鞍的应力云图，3号索鞍两个方向的主拉应力均不大于1MPa，主压应力也不超过其标准抗压强度。

图2桥塔混凝土第一主应力

—24—华东图3

1号索鞍竖向应力

图42号索鞍顺桥向应力图52号索鞍竖向应力

图62号索鞍顺桥向应力图73号索鞍竖向应力

2.3

套管的受力分析

斜拉索钢套管的vonmises应力分布如图8所示，从图中可以看出，套管的最大vonmises应力为

65.922MPa，发生在2号套管的端部截面低端，最小为0.144MPa，发生在2号套管的端部截面顶端。套管的整体应力水平都不高，均满足使用要求。

图8套管vonmises应力

公路2019年第3期

3

不同横隔板布置的钢桥面铺装体系梁段局部力学

分析比较

3.1计算假设及作用荷载

由于正交异性钢桥面板铺装特殊的使用条件，对铺装材料的强度、变形稳定性、疲劳耐久性等提出了更高的要求，作为桥梁结构的重要组成部分，桥面铺装的好坏直接影响到行车的安全性、舒适性、桥梁耐

久性及投资效益和社会效益；由于扁平流线型钢箱梁的桥面板是由纵向加劲肋、横隔板及面板所构成的正交异性板，纵向加劲肋、横隔板在提高桥梁整体结构承载力的同时对沥青铺装层的受力却有着不良的影响，有必要对该钢桥钢桥面铺装体系进行力学分析。钢桥面铺装层由于受力原因引起的破损简单归纳为一下几种：局部应力集中与疲劳，在循环往复的车载作用下，形成疲劳裂缝；剪切破坏；局部冲压破坏。根据以上桥面铺装层受力破坏的主要形式，在此主要计

算不同横隔板布置的钢桥面铺装层的纵横桥向的最大拉应力与最大拉应变及铺装层表面最大弯沉（桥面铺装层在车辆荷载作用下的绝对竖向位移）；钢桥面板的纵横桥向的最大拉应力与最大拉应变及最大竖向位移；纵向U形加劲肋的纵横桥向最大拉应力与最大拉应变及最大弯沉；横隔板的最大拉应力及位移等。计算时假设钢板和铺装层完全连续，铺装材料为线弹性材料，且不计铺装结构自重的影响。模型的约束条件如下：横隔板底部完全约束，横向钢板及铺装

层边缘无横向水平位移，纵向钢板及铺装层边缘无纵向水平位移，其中纵向是车辆行驶的方向，也就是顺桥向。根据规范，车轮与铺装接触面积为600mm（横桥向）×200mm（顺桥向），车辆的后轴重为140kN，则作用在铺装层上的压力为0.583MPa，乘以冲击系数1.4，得到作用在铺装层上的压力为0.816MPa。沿顺桥向，对于4（3.75）m间距横隔板布置的钢箱梁考虑两种加载工况，工况一将最不利载荷位置于实腹式横隔板与T形加劲肋板的正中间，工况二将最不利载荷位置于中间一道T形加劲肋板的正上方，对于3m间距横隔板布置的钢箱梁，只考虑一种工况，就是将最不利载荷位置于两道实腹式横隔板的正中间。沿横桥向，载荷位位置均相同。

2019年第3期俞勇民等：典型矮塔斜拉桥施工过程中敏感区域局部受力分析—25—

3.2

主要计算结果整理

工况一计算结果如表2所示。将桥面铺装层、顶板、横隔板、T形加劲肋板及纵向U形加劲肋纵横桥向应力及应变、位移列表如下。

表2

应力、应变及位移列表（工况一）

实腹式横隔板T形加劲肋板纵向U形加劲肋4m3．75m3m

4m3．8m4m3．75m3m横桥向最大拉应力（MPa）3．362．942．3612．513．614．516．318．8横桥向最大拉应变（10－6）23．9

20．9

16．6

5761．963．258．976．8顺桥向最大拉应力（MPa）0．350．4504964横桥向最大拉应变（10－6）31

27．6

27．1

24．926．2237233304最大竖向0．1730．1590．185位移（mm）（顺）（顺）（顺）0．350．350．660．621．01最大主拉应力（Mpa）

7．44

6．49

5．16

18．8

20．7

50

49

64

由表2可见，实腹式横隔板与T形加劲肋板交替布置的箱梁受力要好于仅布置实腹式横隔板的箱梁。

由于篇幅所限，在此主要计算不同横隔板布置的钢桥面铺装层的纵横桥向的最大拉应力与最大拉应变及铺装层表面最大弯沉（桥面铺装层在车辆荷载作用下的绝对竖向位移）；钢桥面板的纵横桥向的最大拉应力与最大拉应变及最大竖向位移；纵向U形加劲肋的纵横桥向最大拉应力与最大拉应变及最大弯沉；横隔板的最大拉应力及位移等。4

结论

（1）在施工阶段的敏感区，斜拉桥索鞍区的设计

应尽可能考虑以后方便换索，

以及索的养护。本文针对单索面跨度较大的单箱三室矮塔斜拉桥施工阶段受

力，采用有限元软件计算的结果表明，该斜拉桥索鞍区

混凝土以及套管的受力均符合要求。但是，

索鞍区主拉应力在局部超过了混凝土C50的标准抗拉强度，故应该在桥塔索鞍区端部采取补强措施，

增加角隅钢筋，防止应力集中，混凝土压碎和开裂。拉索管道的厚度

采用20mm可以满足受力的要求。

（2）实腹式横隔板与T形加劲肋板交替布置的箱梁受力要好于仅布置实腹式横隔板的箱梁。在方案设计中，

应尽可能采用实腹式横隔板与T形加劲肋交替布置的箱梁。

（3）经计算比较可知，工况一（将最不利载荷位置于实腹式横隔板与T形加劲肋板的正中间）为最不利加载位置，

工况二（将最不利载荷位置于中间一道T形加劲肋板的正上方）偏安全一些。

参

考

文

献

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