总第２５０期 ２０１２年第ｌ期 交通 科技 Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．２５０ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２Ｏｌ２ 单索面矮塔斜拉桥塔梁墩固结局部应力分析 陈小玲 （新疆交通规划勘察设计研究院乌鲁木齐８３０００６） 摘 要 以某城市道路上一座单索面矮塔斜拉桥为例，运用通用有限元软件Ｍｉｄａｓ Ｃｉｖｉｌ ２０１０建 立斜拉桥塔梁墩固结部位局部实体模型，对其局部应力状况进行分析，得出其各个方向的应力 结果。 关键词 矮塔斜拉桥 梁墩固结块 局部应力 连续梁是以梁来直接抵抗弯和剪的竖向荷 ５８ ｍ＋１０８ ｎｌ＋５８ ｍ预应力混凝土矮塔斜拉桥。 主梁采用预应力混凝土单箱三室结构，桥梁全宽 载，斜拉桥则是以多点支撑的梁的受压、索的受拉 以及桥塔的受压来承受外部的竖向荷载，而矮塔 斜拉桥则是以梁的受弯、受压、索的受拉以及桥塔 的受压共同来承受竖向荷载［１］，而对于矮塔斜拉 桥的塔梁墩固结体系来说，塔梁固结部位除了承 受桥塔传递的巨大的轴向力和弯矩外，还承受由 主梁传递而来的较大的竖向力和转矩，使该固结 ３２ ｍ，单索面、独柱式塔柱。 １有限元模型的建立 １．１有限元模型 本文采用Ｍｉｄａｓ／Ｃｉｖｉｌ ２０１０建立全桥梁空间 梁杆系单元模型对大桥进行整体受力有限元分析 计算，对塔梁墩固结部位建立局部实体有限元模 部位的受力和构造都相当复杂Ｌ２］。因此，研究塔 墩梁固结部位的受力特性及其应力分布状况，对 此新颖结构的应用具有很重要的实际意义。 型，利用整体分析计算的相关结果对塔梁固结部 位进行应力分析。在进行塔梁固结的空间局部详 本文以某城市道路上一座单索面矮塔斜拉桥 为背景，运用通用有限元软件Ｍｉｄａｓ／Ｃｉｖｉｌ ２０１０ 对该桥塔梁墩固结部位的受力特点进行分析 研究。该设计桥为双向６车道，本设计方案采用 收稿日期：２０１卜１Ｏ一１４ 细应力分析时，根据圣维南原理，计算模型选取范 围除包括塔梁固结块梁段本身外，还应在固结块 主梁的两边以及桥塔的长度进行适当地延伸，这 样对于塔梁固结局部来说，其受力状况较为接近 Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｖａｌｕｅ ｏｆ Ｓｕｂｇｒａｄｅ Ｓｏｉｌ Ｒａｔｉｏ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｍ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｒｉｇｉｄ Ｆｒａｍｅ Ｂｒｉｄｇｅ Ｄｅｓｉｇｎ Ｌ Ｋ （Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ ＳｉＹｕａｎ Ｓｕｒｖｅｙ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｗｕｈａｎ ４３００６３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｈｅｎ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｒｉｇｉｄ ｆｒａｍｅ ｂｒｉｄｇｅ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｌｏｃａｔｅｄ ｉｎ ｓｏｆｔ ｓｏｉｌ ｏｒ ｓｅｉｓｍｉｃ ｌｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎ ｉｓ ｄｅ— ｓｉｇｎｅｄ，ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｓｕｂｇｒａｄｅ ｓｏｉｌ ｒａｔｉｏ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｍ ｈａｓ ｇｒｅａｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ．Ｓｃｏｐｅ ｏｆ ｓｕｂｇｒａｄｅ ｓｏｉｌ ｒａｔｉｏ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｍ ｉｓ ｏｎｌｙ ｓｐｅｃｉｆｉｅｄ ｉｎ ＴＢ １０００２．５－２００５ ａｔ ｐｒｅｓ— ｅｎｔ，ｎｏ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｄａｔａ．Ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｓｕｂｇｒａｄｅ ｓｏｉｌ ｒａｔｉｏ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｍ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｒｉｇｉｄ ｆｒａｍｅ ｂｒｉｄｇｅ；Ｔ ｆｒａｍｅ；ｓｏｆｔ ｓｏｉｌ；ｓｅｉｓｍｉｃ ｌｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎ；ｓｕｂｇｒａｄｅ ｓｏｉｌ ｒａｔｉｏ ｃＯｅｆｆｊ ｃｉｅｎｔ ｍ ２０１２年第ｌ期 陈小玲：单索面矮塔斜拉桥塔梁墩固结局部应力分析 于其实际受力状况。 因此，在本文的分析研究中，按照桥梁实际塔 梁固结的构造利用实体单元建立有限元模型，在 １．２边界条件的施加 因本文仅为分析研究塔梁墩固结部位的局部 应力状况，故分析有限元模型的边界条件采用桥 塔底部固定，塔柱和主梁端部施加塔梁固结处最 不利的节点荷载。最不利荷载利用Ｍｉｄａｓ／Ｃｉｖｉｌ ２０１０中提供的移动荷载追踪功能，得出活载的最 不利加载位置，从而将活载转化为静力荷载在结 此模型中分别考虑了桥面以上１０ ｍ、桥面以下 ９ ｍ范围内的桥塔以及桥塔中心线左右两侧各 ７．５ ｍ范围内的主梁，这样离固结部位取了足够的 长度，可以排除圣维南效应对塔墩梁固结部位受力 的影响。主梁、桥塔结构采用８节点的三维实体单 元进行模拟，总计２２ １３９个单元，３０ ０８６个节点。 图１为划分网格的有限元模型。 构上施加，然后此种状况下主梁的梁端和主塔柱 端面各个内力结果数值，即为分析模型的最不利 荷载数值，可作边界荷载施加到上述有限元模型 上［３］。本文提取了成桥阶段（恒载＋活载）的最不 利荷载组合，数值见表１。 上述最不利荷载的梁单元的轴力和剪力，在 模型中可通过节点集中力等代的方式施加。本文 通过在构件需施加荷载的截面形心部位建立一个 节点（主节点），然后把主节点跟截面其他的受力 节点（从结点）以刚性连接的方式耦合在一起，形 成刚性区域，然后直接将弯矩、剪力和轴力等施加 图ｌ塔梁固结局部实体有限元模型 到主节点Ｅ。 表１不利荷载表 ２ 结果分析 ｊ兰 登篡 ： ≥一一 ２．１正应力分析 为能够更加清楚简洁地读取分析塔墩梁固结 部位应力情况，本文钝化了模型中施加外部荷载 的主梁两端以及主塔端部处２ ｍ。本文所有应力 结果从上述钝化以后的计算模型中读取。在最不 利外荷载作用下，塔梁固结处的纵向正应力、横向 正应力和竖向正应力云图见图２～图４。 鳍 ：薰 ： 运 图４塔梁固结局部实体Ｚ方向正应力 … …… 图２塔梁固结局部实体ｘ方向正应力 … ’ｒ‘一… 图３塔梁固结局部实体ｙ方向正应力 由图２可以得到，塔梁固结处在顺桥向的正 应力最大值６．４ ＭＰａ为拉应力，在固结快中间开 孔边缘上，应力高度集中。而在塔梁固结处实体 部位大部分主要为拉应力，其数值大多在１．５ ＭＰａ到０．４ ＭＰａ之间，此时塔梁固结处表现类似 于连续刚构桥的墩顶处的受力状况，而其他部位 的压应力大多在２．２ ＭＰａ以下。 由图３可以看出，塔梁固结处在横桥向的正 应力最大值１．２３８ ＭＰａ为拉应力，位置在混凝土 箱梁的底板与固结块交接的部位，２２．３ ＭＰａ为 压应力在主塔墩顶与主梁连接处；塔梁固结处实 体部位主要为拉应力，其数值大多在１．９～１．０ ＭＰａ之间，此时塔梁固结处在横桥向上表现出两 点支撑跨中受竖向荷载的连续受弯梁的应力状 况，在其横向跨度内拉应力表现出明显的波浪式 陈小玲：单索面矮塔斜拉桥塔梁墩固结局部应力分析 ２０１２年第ｌ期 变化，而其他部位主要是固结块以外的主梁大部 分处于受压状态。压应力大多在９～１８ ＭＰａ 之间。 部位与主梁主塔连接部位存在着明显的应力集 中，最大主压应力达一２２．４ ＭＰａ，最大主拉应力 由图４可知，在垂直于桥面的方向上正应力 最大值４．５７ ＭＰａ为拉应力，位置在混凝土箱梁 的底板与固结块交接的部位，最大压应力１４．７７ ＭＰａ在主塔的底端与主梁连接处；主塔受压作用 最为明显，压应力数值也较大，大部分都在１Ｏ～ ６．３７ ＭＰａ，在主塔的压应力影响下，塔梁固结处 应力分为两个部分，一部分在主塔下也为压应力， 部分在主塔四周，存在较大的拉应力。 ２．２主应力分析 图５、６分别为塔梁固结部位的主拉应力云图 和主压应力云图。由图５可以看出，整个塔梁固 结模型的主拉应力绝大部分都处于塔梁固结块， 其最大主拉应力达到３．６３ ＭＰａ，在主塔与主梁上 表面相结合的部位，表现出局部应力集中，在局部 应力较大，然后迅速在四周扩散开来。在设计中 可以通过倒圆角的方式予以减小或者消除此处 的应力集中。模型的其余绝大部分主拉应力都在 一达３．６３ ＭＰａ，但整个局部模型大部分应力都介于 一１６．Ｏ～２．０ ＭＰａ之间，满足规范的相关要求。 １．４～２．０ ＭＰａ之间。 由图６可以看出，整个塔梁固结模型的主压 应力绝大部分都处于塔梁固结块的主梁与主塔结 合的底部，最大主压应力达到２２．４ ＭＰａ，主要在 主梁底板与主塔相连接的部位，整个模型其余绝 大部分主压应力都在１３．１ｌ～ｌ６ＭＰａ，墩梁固结 参考文献 ［１］王伯惠．斜拉桥结构发展和中国经验（上册）［Ｍ］． 北京：人民交通出版社，２００３． Ｅ２］欧阳永金．矮塔斜拉桥结构参数分析［Ｊ］．钢结构， ２００６（６）：２１—２３． ［３］曹忠强．异型矮塔斜拉桥塔墩梁固结部位应力分析 ［Ｊ］．交通科技，２０１０（３）：４１—４３． ［４］王图５ 塔梁固结局部实体主拉应力 艳．大跨度悬臂拼装施工连续梁桥０号梁段局 部应力分析［Ｊ］．铁道科学与工程学报，２００８（３）： ２３—２７． Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｌｏｃａｌ Ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ Ｌｉｎｋｅｄ Ｐａｒｔ ｏｆ Ｔｏｗｅｒ ａｎｄ Ｂｅａｍ ｉｎ Ｌｏｗ Ｔｏｗｅｒ Ｓｉｎｇｌｅ’。ｃａｂｌｅ Ｐｌａｎｅ Ｃａｂｌｅ。。ｓｔａｙｅｄ Ｂｒｉｄｇｅ Ｃｈｅｎ Ｘｉａｏｌｉｎｇ （Ｘｉｎｉｉａｎｇ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｓｕｒｖｅｙ Ｄｅｓｉｇｎ ８Ｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｕｒｕｍｑｉ ８３０００６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ ａ ｌｏｗ ｔｏｗｅｒ ｓｉｎｇｌｅ—ｃａｂｌｅ ｐｌａｎｅ ｃａｂｌｅ—ｓｔａｙｅｄ ｂｒｉｄｇｅ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ａ ｌｏｃａｌ ｅｎｔｉｔｙ ｍｏｄ— ｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｎｋｅｄ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｏｗｅｒ ａｎｄ ｂｅａｍ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ Ｍｉｄａｓ Ｃｉｖｉｌ ２０１０，ｗｈｏｓｅ ｌｏｃａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｓｉｔｕａ— ｔｉｏｎ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ａｌｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｔｈｕｓ ｗｅ ｃａｎ ｆｕｒｔｈｅｒ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｓｉｔｅ。 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｏｗ ｔｏｗｅｒ ｃａｂｌｅ—ｓｔａｙｅｄ ｂｒｉｄｇｅ；ｌｉｎｋｅｄ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｏｗｅｒ ａｎｄ ｂｅａｍ；ｌｏｃａｌ ｓｔｒｅｓｓ
