劉小軍

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

該矮塔斜拉橋在整體力學(xué)性能分析中采用空間梁單元和桁架單元來模擬，通過上橫梁將塔梁連為一體，利用整體模型的分析結(jié)果來進行塔梁配筋設(shè)計，但是0號塊結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，不僅頂板與Y型橋塔相連接，同時還與上橫梁相固結(jié)，而0號塊、橋塔以及上橫梁的內(nèi)部又同時采用了挖空形式，更是加劇了其整體空間復(fù)雜性，故梁單元分析結(jié)果不能用于0號塊的配筋設(shè)計。考慮到空間梁單元模型無法得到0號塊真實空間應(yīng)力分布的因素，因此有必要對該矮塔斜拉橋0號塊進行結(jié)構(gòu)細部分析，以便更加真實地反應(yīng)其空間應(yīng)力分布狀態(tài)，同時也可以指導(dǎo)該部位的構(gòu)造擬定及配筋設(shè)計工作。

1 工程概況

1.1 主橋概況

主橋采用（87+160+87）m雙塔斜向雙索面三跨預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋。主梁為單箱雙室結(jié)構(gòu)，寬28.0 m，橋塔處梁高 5.0 m，跨中梁高 3.5 m，1～7號梁段為梁高變化段，其余為等高段。橋塔為Y型塔，塔高24.8 m，每個橋塔共設(shè)置8對斜拉索，采用分絲管索鞍形式，每根斜拉索貫穿主塔并錨固在主梁上。主橋立面布置圖如圖1所示。

圖1 主橋立面布置圖（單位：m）

1.2 0號塊結(jié)構(gòu)構(gòu)造

0號塊結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，不僅與橋塔相連接，而且與上橫梁也連為一體，具體結(jié)構(gòu)構(gòu)造尺寸如圖2、圖3所示。

圖2 0號塊立面圖（單位：cm）

圖3 0號塊橫斷面圖（單位：cm）

2 分析模型的建立

將0號塊、上中橫梁及部分橋塔作為一個整體來進行空間應(yīng)力分析，其中0號塊和上橫梁采用C55混凝土，其余部位為C50混凝土，縱、橫、豎向預(yù)應(yīng)力筋采用Strand1860鋼絞線。

全橋采用有限元軟件Midas/Civil建立桿系整體分析模型，其中承臺、墩塔、主梁采用空間梁單元模擬，拉索采用空間桁架單元模擬[1]，整體分析模型見圖4。

圖4 全橋整體分析模型

利用空間有限元分析軟件Midas/FEA進行0號塊空間實體模型的建立，首先對實體進行線網(wǎng)格尺寸控制，單元長度為0.3 m，然后進行實體網(wǎng)格劃分，共劃分為482020個單元，103435個節(jié)點。在0號塊實體單元中設(shè)置縱、橫、豎向共83束預(yù)應(yīng)力鋼筋，其中頂板縱向3束，頂板橫向20束，上橫梁肋板橫向12束，腹板豎向48束，鋼束采用鋼筋梁單元模擬并分別進行了網(wǎng)格劃分[2]。0號塊及上橫梁混凝土自重26 kN/m3，橋面二期恒載為5.518 kN/m2，預(yù)應(yīng)力張拉應(yīng)力0.72fpk=1339.2 MPa，實體模型邊界條件為兩個墩底固結(jié)。0號塊實體模型及鋼束模型分別見圖5、圖6。

圖5 0號塊實體模型

圖6 0號塊鋼束模型

3 分析工況及內(nèi)力提取

由于0號塊在各個施工階段以及成橋狀態(tài)下，其應(yīng)力分布狀態(tài)一直處于復(fù)雜的變化過程中，根據(jù)以往文獻[3]分析經(jīng)驗來看，0號塊的空間應(yīng)力分析階段一般為最大雙懸臂施工階段和成橋使用階段。和以往0號塊分析不同的是，除了提取0號塊前后截面內(nèi)力，還需提取左右上塔柱截面內(nèi)力。0號塊、上塔柱共4個截面內(nèi)力提取值參見表1。

表1 0號塊及上塔柱截面內(nèi)力值

4 0號塊空間應(yīng)力分析

通過建立截面質(zhì)心節(jié)點，在質(zhì)心節(jié)點與截面所有節(jié)點之間建立剛性連接，將整體模型提取出來的內(nèi)力施加在質(zhì)心節(jié)點上，力和力矩則通過剛性連接傳遞到整個截面上，施加過程中要注意Midas/Civil整體模型單元坐標(biāo)系與Midas/FEA整體坐標(biāo)系存在夾角，需把內(nèi)力方向從單元坐標(biāo)系換成整體坐標(biāo)系[4]。應(yīng)力分析云圖中，均以拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。

4.1 工況一 最大雙懸臂施工階段

0號塊橫橋向應(yīng)力、豎向應(yīng)力及主拉應(yīng)力云圖見圖7～圖9。從圖7中可知，橫橋向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在塔梁相接處附近0號塊頂板區(qū)域，達到3.055 MPa，此外，上橫梁底板處于橫向受拉狀態(tài)，最大值為2.280 MPa，分布在上橫梁1/4跨底部區(qū)域；從圖8中可知，豎向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在0號塊橫隔板過人孔下部范圍，達到2.139 MPa，整個橫隔板均處在豎向拉應(yīng)力區(qū)，且靠近腔室一側(cè)的應(yīng)力值較大，同時上橫梁底板與塔交接處出現(xiàn)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，達到-26.735 MPa；從圖9中可知，整個模型主拉應(yīng)力最大值為4.25 MPa，位于橋塔內(nèi)上橫梁肋板橫向鋼束錨固端，此處未考慮錨墊板影響，其值失真，塔梁相接處0號塊頂板主拉應(yīng)力最大值為3.15 MPa，上橫梁底板主拉應(yīng)力最大值為3.0 MPa。

圖7 0號塊橫橋向應(yīng)力（工況一）

圖8 0號塊豎向應(yīng)力（工況一）

圖90 號塊主拉應(yīng)力（工況一）

4.2 工況二 成橋階段墩頂最大負(fù)彎矩

0號塊橫橋向應(yīng)力、豎向應(yīng)力及主拉應(yīng)力云圖見圖10～圖12。從圖10中可知，橫橋向最大拉應(yīng)力為3.541 MPa，出現(xiàn)位置同工況一，上橫梁1/4跨底板區(qū)域最大拉應(yīng)力為2.950 MPa，較工況一有所增大。從圖11中可知，豎向最大拉應(yīng)力為3.464 MPa，出現(xiàn)在上橫梁橫隔板上部靠近腔室一側(cè)，同工況一相比，最大值出現(xiàn)位置發(fā)生轉(zhuǎn)移，此外，上橫梁底板與塔交接處最大壓應(yīng)力為-29.695 MPa。從圖12中可知，最大主拉應(yīng)力4.268 MPa，位置同工況一。此外，0號塊頂板、上橫梁底板以及橫隔板的局部區(qū)域主拉應(yīng)力值較大，個別位置超過3.6 MPa。

圖10 0號塊橫橋向應(yīng)力（工況二）

圖11 0號塊豎向應(yīng)力（工況二）

圖12 0號塊主拉應(yīng)力（工況二）

4.3 工況三 成橋階段0號塊最大剪力

0號塊橫橋向應(yīng)力、豎向應(yīng)力及主拉應(yīng)力云圖分布形態(tài)同工況二，僅應(yīng)力值略有不同，在此不一一列出。橫橋向最大拉應(yīng)力為3.544 MPa，出現(xiàn)位置同工況二，上橫梁1/4跨底板區(qū)域最大拉應(yīng)力為2.96 MPa；豎向最大拉應(yīng)力為3.056 MPa，出現(xiàn)位置同工況二，上橫梁底板與塔交接處最大壓應(yīng)力為-30.711 MPa；最大主拉應(yīng)力4.323 MPa，位置同工況二，此外，0號塊頂板、上橫梁底板以及橫隔板的局部區(qū)域主拉應(yīng)力值較大，個別部位超過3.0 MPa，但相比工況二整體略小。

5 結(jié)語

a）通過對矮塔斜拉橋0號塊進行三維空間應(yīng)力分析，可以明確結(jié)構(gòu)拉、壓應(yīng)力分布狀態(tài)，進而把握裂縫可能出現(xiàn)位置以及混凝土應(yīng)力過大的位置，為0號塊的結(jié)構(gòu)構(gòu)造及配筋設(shè)計的合理性提供理論依據(jù)。

b）0號塊橫橋向最大拉應(yīng)力位于塔梁相接處附近頂板區(qū)域，主要是由張拉上橫梁肋板橫向束所引起的，可以通過先張拉肋板橫向束后澆筑頂板與塔柱連接部的施工方法來解決這一問題；此外，0號塊橫隔板及其過人孔周邊位置豎向拉應(yīng)力較大，易出現(xiàn)開裂，建議這些部位應(yīng)加強鋼筋配置。

c）上橫梁與0號塊連為整體，主梁豎向荷載主要通過上橫梁傳遞到橋塔，故上橫梁底部局部區(qū)域會出現(xiàn)較大橫橋向拉應(yīng)力，這在設(shè)計中應(yīng)特別引起重視，一是在構(gòu)造上增加上橫梁拱形底板的厚度及矢跨比，二是增加上橫梁肋板橫向鋼束并加強底板鋼筋配置。此外，在上橫梁底板與塔柱內(nèi)側(cè)之間可采取順適過渡的結(jié)構(gòu)形式以避免出現(xiàn)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象。