中央索面混凝土斜拉桥单箱五室超宽主梁的局部应力分析＊

曾 勇 黄 康 王茂强 谭红梅

（重庆交通大学 （桥梁）结构工程重点实验室1） 重庆 400074）

（重庆交通大学土木建筑学院2） 重庆400074） （中交公路规划设计院有限公司3） 北京 100088）

随着人们对桥梁景观要求的不断提高，近年来我国设计出一系列造型新颖的混凝土斜拉桥.由于桥梁造型的需要，景观桥梁结构的构造和受力往往非常复杂，传力机理不明确、应力集中等问题突出［1］.在传统的桥梁结构有限元计算分析中，通常采用“鱼骨”形模型来模拟主梁，该模型由于简化模拟了桥面系结构，无法考虑主梁的细部构造（如变截面问题、畸变、横隔板的作用等）不能真实反映，更不能分析锚板处的局部应力集中效应［2－3］.采用传统的杆梁模型和设计规范的简化计算方法难以准确地分析结构受力［4－5］.

本文以正在施工中的潮连西江大桥为例，采用大型有限元分析软件Ansys建立空间实体模型对其塔梁段主梁进行了静力分析，解决了常规设计中难以分析纵、横隔板应力分布、锚固区传力机理及联结系受力等问题.

1 工程背景

潮连西江大桥为50m＋120m＋320m＋120m＋50m的双塔中央索面预应力混凝土斜拉桥，全长660m，采用半漂浮体系，主梁为双向（纵向及横向）预应力混凝土结构.

主梁采用大悬臂单箱5室预应力混凝土主梁，横隔梁间距6m，在有索区与斜拉索对应布置.箱梁宽：顶板40.8m，底板宽21.6m.梁高：箱梁中心线处为4.0m.箱梁顶板厚度：中间室的桥面板厚50cm，其他4个室的桥面板厚28cm.箱梁腹板厚度：边腹板厚25cm，中腹板厚35cm.底板、斜底板厚度：底板及斜底板厚26cm；在靠近索塔无索区适当加厚.见图1、图2.

2 计算模型

2.1 有限元力学模型简化

首先采用MIDAS／Civil的空间杆系模型对大桥进行整体受力分析计算，再利用Ansys对塔墩梁固结部位建立精细子模型，进行空间有限元分析，得到相关区域详细的应力分布情况.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.

图2 主梁一般构造（单位：cm）

为避免边界效应影响，同时又便于施加荷载，所取计算模型范围如下：横桥向取主梁半桥宽：纵桥向以桥塔中心为对称点，沿两侧各取80.5m（合计161m），建立实体模型，见图3.

图3 主梁的局部实体模型

在Ansys模型中考虑斜拉索的锚板的空间位置和纵、横隔板的人孔，以求更接近实际结构，见图4.在划分单元时，在这些应力集中的部位进行局部加密.

图4 纵、横隔板的人孔

2.2 边界条件

在边跨侧梁端约束全部，塔梁相交地方按支座约束（约束竖向和横桥向）.

2.3 计算载荷

在Ansys建模中，采用8节点的solid65实体单元建模模拟主梁；采用单向受拉的Link10单元模拟预应力钢筋，预应力钢筋的张拉力用初应变考虑，预应力损失按20%考虑；采用Surf154单元模拟二期恒载及桥面铺装的自重.拉索的索力按作用在锚板上均布力考虑.车道荷载按《公路桥梁设计通用规范》施加，按8车道施加荷载，考虑偏载、横向及纵向折减效应.

2.4 材料特性

主梁C55混凝土的弹性模量E＝3.5×104MPa，泊松比μ＝0.2，密度ρ＝2 600kg／m3.

高强预应力钢绞线的弹性模量E＝2.06×105MPa，泊松比μ＝0.3，密度ρ＝7 850kg／m3.

2.5 计算工况

每种工况下施加各自对应的中跨侧的斜拉索索力，以及对应的中跨侧梁端的轴力、剪力、弯矩，以及对应的车道荷载，以及预应力荷载.

分析工况为：塔梁相交段轴力N最大时对应的荷载工况.

3 计算结果

首先采用MIDAS／Civil计算所得的2个工况下计算模型主梁两端、塔端的轴力、剪力、弯矩，然后转化为分布面力和节点荷载，施加于端面处.具体的方法是：对于弯矩和轴力，将其转化为分布面力；对于剪力，求出端部每个单元形心处的剪应力T，由于单元划分很小，可以认为该单元面上的剪应力为单元面形心处的剪应力；最后求出该单元面上承受的剪力，将其平均分配到组成该面的节点上.

计算梁端的整体竖向位移见图5，在该工况下梁端最大竖向位移为2cm.

图5 塔梁段整体竖向位移／m

塔梁段结构的整体主压应力见图6.较大的压应力主要位于支座和截面变化的顶板与腹板处，最大的压应力达到20.4MPa.原因之一就是此处截面有突变，且靠近根部.由于支座处的应力集中现象和根部的截面突变，塔梁相交处应力较大，且应力分布复杂.此处是配筋和受力分析的关键部位.塔梁段结构的整体主拉应力见图7，较大的拉应力主要位于支座处，最大的拉应力达到2.4MPa，主要是由支座处的应力集中引起的，但是在实际结构中由于此处布置有普通钢筋，能够满足受力要求.

图6 塔梁相交处主压应力／Pa

图7 塔梁相交处主拉应力／Pa

锚块处的主拉、压应力见图8～9.由于锚块处的拉索锚固的影响，锚下主压应力较大，同时引起周围的主压应力较大.最大的主拉应力是出现在锚固下侧与纵隔板相交处，是局部应力集中.

中纵隔板的竖向受力情况见图10.除去人孔竖向边附加的应力集中，中纵隔板竖向应力都在容许的范围内.人孔的拉应力集中区域，从左到右逐渐增多.

图8 第一个锚块的主压应力／Pa

图9 第一个锚块的主压应力／Pa

图10 中纵隔板竖向应力／Pa

中纵隔板的竖向受力情况见图11.人孔竖向边附近有应力集中，见图中深色区域.此处应力区域应加强配筋.

图11 中纵隔板纵向应力／Pa

边纵隔板的纵向受力情况见图12.边纵隔板有部分区域的应力超过15MPa，图中深色部分.由于横隔板的作用，边纵隔板与横隔板相交的区域的刚度有所加强，应力也有所缓和.

图12 中纵隔板纵向应力／Pa

4 结 论

针对西江大桥的塔梁段的主梁建立了三维实体有限元计算模型，分析了桥塔处主梁的塔梁相交段在轴力N最大的荷载工况下受力情况.从分析计算结果看，主梁基本满足性能要求.具体结论如下.

1）对于塔梁相交处的主梁，较大的压应力主要由支座处和截面变化处，在顶板、腹板有部分区域的压应力超过了17MPa.原因之一就是此处截面有突变，且靠近根部，受力复杂.此处是配筋和分析的关键部位.

2）对于第一个锚块，由于锚块处的拉索锚固的影响，锚下应力较大，同时引起周围的拉、压应力较大.

3）对于桥塔附近纵隔板的受力情况（中纵隔板），人孔的拉应力集中区域从左到右逐渐增多.中纵隔板还有大部分的Z方向应力超过规定值.此处应力区域应加强配筋.

4）对于桥塔附近纵隔板的受力情况（边纵隔板），边纵隔板X和Y方向应力都在容许的范围内.由于横隔板的作用，边纵隔板与横隔板相交的区域的刚度有所加强，应力有所缓和.

5）通过计算发现，预应力张拉处，拉索锚块，支座，塔梁相交处，纵、横隔板的人孔等位置属于应力集中区域.此些应力区域应加强配筋或采取构造措施，减少应力集中，提高结构的安全性.

［1］毕桂平，魏红一，范立础.鄂黄长江公路大桥斜拉桥主塔应力仿真分析［J］.结构工程师，2001（2）：8－12.

［2］上官萍，房贞政，卓卫东.塔梁墩固结斜拉桥结构受力分析［J］.福州大学学报：自然科学版，1999（3）：19－22.

［3］张立明.Algor、Ansys在桥梁工程中的应用方法与实例［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［4］王晓明，郝宪武，段瑞芳.斜拉桥塔梁固接处的空间应力分析［J］.湖南交通科技，2007，33（1）：84－88.

［5］虞庐松，朱东生.部分斜拉桥塔梁墩固结点局部应力分析［J］.桥梁建设，2008（1）：54－57.