槽型断面梁斜拉桥塔梁墩固结区受力特性研究

戴公连　粟淼　刘文硕　闫斌

摘要：为增大桥梁纵向刚度、便于转体施工，沪昆客运专线上某（32+80+112）m槽型截面独塔斜拉桥将槽型梁两边箱插入塔柱中形成塔梁墩固结体系，其构造和受力情况极为复杂.为研究该桥塔梁墩固结区域的应力分布情况，采用大型通用有限元软件ANSYS建立塔梁墩固结区局部模型并验证模型正确性.在此基础上，分析固结区域结构传力路径和应力分布规律，探讨局部设计细节对固结区应力的影响.研究表明：塔梁墩固结区内整体应力水平低于固结区范围以外截面，但在槽型梁过渡至固结区内部的交接角以及固结区内部过人洞折角等处存在应力集中现象.通过改进结构设计细节可有效缓解各处的应力集中现象.

关键词：铁路桥梁；斜拉桥；局部分析；子模型法；槽型梁

中图分类号：U448.27；U448.13文献标识码：A

斜拉桥结构体系包括漂浮体系、半漂浮体系、塔梁固结体系（塔梁通过固定支座相连）和刚构体系（塔梁墩刚接）[1].在300 m以下跨度的轨道交通斜拉桥中，为提高桥梁纵向刚度，多采用塔梁固结或刚构体系，且主梁多为预应力混凝土结构.刚构体系的优点在于结构整体刚度较大，避免了在塔柱上设置大型支座，无需临时支撑和体系转换，尤其适合悬臂转体施工.其缺点在于塔梁墩连接区域构造复杂，固结部位易出现较大应力，因此，对于采用塔梁墩固结的斜拉桥，除做整体计算外，还应考察局部节点的应力分布情况.

国内外学者对斜拉桥局部受力分析已经有了较为广泛的研究，文献[2-3]分别对大跨度钢桁梁（箱）梁斜拉桥的索桁（梁）锚固结构进行了受力性能研究；文献[4]对某公铁两用斜拉桥边桁整体节点进行了数值分析和模型试验；文献[5-6]研究了斜拉桥塔梁固结处的应力分布；文献[7]对斜拉桥桥塔钢横桁梁整体节点进行了试验模型研究和有限元分析.但既有研究对象多为钢桁（箱）梁和混凝土箱梁，而对于高速铁路槽型截面斜拉桥上塔梁墩固结区而言，其应力分布情况尚不明确.

本文以沪昆客运专线某槽形截面塔梁墩固结斜拉桥为工程背景，建立局部空间实体单元模型，分析塔墩梁墩固结区受力特点、应力分布规律和传力机理，并对构造细节进行比较研究.

1局部分析方法

结构局部受力分析方法主要包括子模型法和直接建模法[8].子模型法又称切割边界位移法，是在整体模型的基础上切割边界生成考虑了结构构造细节的子模型，将切割边界上的位移值施加至子模型上，通过对子模型网格细分进行受力分析[9].子模型技术理论严谨，但要求整体模型必须是全桥实体单元或壳单元模型.直接建模法则根据局部结构建立实体单元模型，从整体计算模型中取出位移或内力结果施加至局部模型上，通过验证局部模型与整体模型在相同位置处的计算结果保证局部模型的正确性.直接建模法的思想实质跟子模型是一致的，且由于其整体模型中能考虑施工过程、混凝土收缩徐变和预应力钢筋等因素，在工程实践中应用较多，本文即采用该方法.

2工程背景

3空间有限元模型

整体有限元模型见图3，主梁和塔柱采用空间梁单元模拟，拉索采用杆单元模拟，为正确模拟拉索的空间位置，主梁和塔柱拉索锚固位置建立刚臂形成鱼刺梁模型.

在隔离体范围内建立局部模型时须保证边界截面远离应力分析区域，对矩形梁而言，通常认为影响范围为一个梁高[12].本文局部模型横桥向取桥梁全宽，竖桥向沿主梁底板上下侧分别长为11 m和7.641 m，顺桥向沿桥塔中心线小跨侧长9.5 m，大跨侧长11.6 m.塔柱为矩形空心截面，单根塔柱顺桥向宽6 m，横桥向宽3 m；槽型梁宽10.8 m，梁高不超过3.7 m，隔离体范围均大于两倍梁高.力的边界条件以刚域形式施加（在边界截面的质心处建立主节点，截面其余节点与主节点之间形成刚域，荷载施加至主节点上）而非集中力，可消除边界处荷载分布不均匀的影响.

6结论

将斜拉桥槽型梁两侧边箱插入塔柱中形成塔梁墩刚接体系，可压缩结构尺寸，减小转体重量.在设计荷载作用下，该桥塔梁墩固结区其整体应力水平满足规范要求，并且应力水平相对于固结区范围以外截面较低，其结构设计合理.

固结区中心截面腹板和底板应力的分析结果表

明，槽型截面的存在使得固结区沿横桥向存在一定水平拉应力，建议在设计时应加强横向普通钢筋配置.

对槽型断面塔梁刚接的斜拉桥而言，槽型梁底板上缘与塔柱交接角处，以及内部纵向过人洞与竖向过人洞交接角处存在较大的应力集中现象.

在响应位置加设圆弧倒角，可使结构形状过渡平缓，能较大幅度地减小应力集中程度.建议工程设计及施工时应避免在塔梁墩固结区结构出现尖角和折角，可通过加设倒角等措施使结构过渡平缓.

参考文献

[1]林元培. 斜拉桥 [M]. 北京：人民交通出版社， 2004： 32-33.

[2]付岚岚， 肖海珠. 斜拉桥钢桁梁索桁锚固结构设计受力分析 [J]. 桥梁建设， 2013， 43（2）： 87-92.

[3]张清华，李乔. 超大跨度钢箱梁斜拉桥索梁锚固结构试验研究[J]. 土木工程学报，2011，44（7）：71-80.

[4]卫星.郑州黄河公铁两用斜拉桥斜桁节点受力性能研究[J].铁道学报，2011，33（9）：90-93.

[5]吴美艳，杨光武，郑舟军.马鞍山长江公路大桥塔梁固结处模型试验研究[J].桥梁建设，2011，41（3）：13-16.

[6]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， 38（1）： 54-57.

[7]XUE Dongyan， LIU Yuqing， HE Jun， et al. Experimental study and numerical analysis of a composite truss joint [J]. Journal of Constructional Steel Research， 2011， 67（6）： 957-964.

[8]钱竹. 三主桁连续钢桁拱桥整体节点应力分布规律与构造研究 [D]. 长沙：中南大学土木工程学院， 2009：5-7.

[9]陈启飞，李爱群，赵大亮，等.预应力混凝土斜拉桥主梁局部应力子模型分析及实验[J].东南大学学报：自然科学版.2007， 37（2）： 287-290.

[10]闫斌， 戴公连. 高速铁路斜拉桥上无缝线路纵向力研究[J].铁道学报， 2012，34（3）：83-87.

[11]戴公连， 粟淼. 高速铁路独塔斜拉桥塔梁墩固结区局部应力研究报告 [R]. 长沙： 中南大学土木工程学院， 2012.

[12]曾宁烨. 大跨度轨道交通斜拉桥塔梁墩固结段局部应力分析 [D]. 成都： 西南交通大学， 2012.

[13]肖挺松. ANSYS三维模型中SOLID65单元的内力提取问题 [J]. 华东交通大学学报， 2012， （03）：74-79.

[14]徐伟，李智，张肖宁.子模型法在大跨径斜拉桥桥面结构分析中的应用[J]. 土木工程学报，2004，37（6）：30-34.

摘要：为增大桥梁纵向刚度、便于转体施工，沪昆客运专线上某（32+80+112）m槽型截面独塔斜拉桥将槽型梁两边箱插入塔柱中形成塔梁墩固结体系，其构造和受力情况极为复杂.为研究该桥塔梁墩固结区域的应力分布情况，采用大型通用有限元软件ANSYS建立塔梁墩固结区局部模型并验证模型正确性.在此基础上，分析固结区域结构传力路径和应力分布规律，探讨局部设计细节对固结区应力的影响.研究表明：塔梁墩固结区内整体应力水平低于固结区范围以外截面，但在槽型梁过渡至固结区内部的交接角以及固结区内部过人洞折角等处存在应力集中现象.通过改进结构设计细节可有效缓解各处的应力集中现象.

关键词：铁路桥梁；斜拉桥；局部分析；子模型法；槽型梁

中图分类号：U448.27；U448.13文献标识码：A

斜拉桥结构体系包括漂浮体系、半漂浮体系、塔梁固结体系（塔梁通过固定支座相连）和刚构体系（塔梁墩刚接）[1].在300 m以下跨度的轨道交通斜拉桥中，为提高桥梁纵向刚度，多采用塔梁固结或刚构体系，且主梁多为预应力混凝土结构.刚构体系的优点在于结构整体刚度较大，避免了在塔柱上设置大型支座，无需临时支撑和体系转换，尤其适合悬臂转体施工.其缺点在于塔梁墩连接区域构造复杂，固结部位易出现较大应力，因此，对于采用塔梁墩固结的斜拉桥，除做整体计算外，还应考察局部节点的应力分布情况.

国内外学者对斜拉桥局部受力分析已经有了较为广泛的研究，文献[2-3]分别对大跨度钢桁梁（箱）梁斜拉桥的索桁（梁）锚固结构进行了受力性能研究；文献[4]对某公铁两用斜拉桥边桁整体节点进行了数值分析和模型试验；文献[5-6]研究了斜拉桥塔梁固结处的应力分布；文献[7]对斜拉桥桥塔钢横桁梁整体节点进行了试验模型研究和有限元分析.但既有研究对象多为钢桁（箱）梁和混凝土箱梁，而对于高速铁路槽型截面斜拉桥上塔梁墩固结区而言，其应力分布情况尚不明确.

本文以沪昆客运专线某槽形截面塔梁墩固结斜拉桥为工程背景，建立局部空间实体单元模型，分析塔墩梁墩固结区受力特点、应力分布规律和传力机理，并对构造细节进行比较研究.

1局部分析方法

结构局部受力分析方法主要包括子模型法和直接建模法[8].子模型法又称切割边界位移法，是在整体模型的基础上切割边界生成考虑了结构构造细节的子模型，将切割边界上的位移值施加至子模型上，通过对子模型网格细分进行受力分析[9].子模型技术理论严谨，但要求整体模型必须是全桥实体单元或壳单元模型.直接建模法则根据局部结构建立实体单元模型，从整体计算模型中取出位移或内力结果施加至局部模型上，通过验证局部模型与整体模型在相同位置处的计算结果保证局部模型的正确性.直接建模法的思想实质跟子模型是一致的，且由于其整体模型中能考虑施工过程、混凝土收缩徐变和预应力钢筋等因素，在工程实践中应用较多，本文即采用该方法.

2工程背景

3空间有限元模型

整体有限元模型见图3，主梁和塔柱采用空间梁单元模拟，拉索采用杆单元模拟，为正确模拟拉索的空间位置，主梁和塔柱拉索锚固位置建立刚臂形成鱼刺梁模型.

在隔离体范围内建立局部模型时须保证边界截面远离应力分析区域，对矩形梁而言，通常认为影响范围为一个梁高[12].本文局部模型横桥向取桥梁全宽，竖桥向沿主梁底板上下侧分别长为11 m和7.641 m，顺桥向沿桥塔中心线小跨侧长9.5 m，大跨侧长11.6 m.塔柱为矩形空心截面，单根塔柱顺桥向宽6 m，横桥向宽3 m；槽型梁宽10.8 m，梁高不超过3.7 m，隔离体范围均大于两倍梁高.力的边界条件以刚域形式施加（在边界截面的质心处建立主节点，截面其余节点与主节点之间形成刚域，荷载施加至主节点上）而非集中力，可消除边界处荷载分布不均匀的影响.

6结论

将斜拉桥槽型梁两侧边箱插入塔柱中形成塔梁墩刚接体系，可压缩结构尺寸，减小转体重量.在设计荷载作用下，该桥塔梁墩固结区其整体应力水平满足规范要求，并且应力水平相对于固结区范围以外截面较低，其结构设计合理.

固结区中心截面腹板和底板应力的分析结果表

明，槽型截面的存在使得固结区沿横桥向存在一定水平拉应力，建议在设计时应加强横向普通钢筋配置.

对槽型断面塔梁刚接的斜拉桥而言，槽型梁底板上缘与塔柱交接角处，以及内部纵向过人洞与竖向过人洞交接角处存在较大的应力集中现象.

在响应位置加设圆弧倒角，可使结构形状过渡平缓，能较大幅度地减小应力集中程度.建议工程设计及施工时应避免在塔梁墩固结区结构出现尖角和折角，可通过加设倒角等措施使结构过渡平缓.

参考文献

[1]林元培. 斜拉桥 [M]. 北京：人民交通出版社， 2004： 32-33.

[2]付岚岚， 肖海珠. 斜拉桥钢桁梁索桁锚固结构设计受力分析 [J]. 桥梁建设， 2013， 43（2）： 87-92.

[3]张清华，李乔. 超大跨度钢箱梁斜拉桥索梁锚固结构试验研究[J]. 土木工程学报，2011，44（7）：71-80.

[4]卫星.郑州黄河公铁两用斜拉桥斜桁节点受力性能研究[J].铁道学报，2011，33（9）：90-93.

[5]吴美艳，杨光武，郑舟军.马鞍山长江公路大桥塔梁固结处模型试验研究[J].桥梁建设，2011，41（3）：13-16.

[6]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， 38（1）： 54-57.

[7]XUE Dongyan， LIU Yuqing， HE Jun， et al. Experimental study and numerical analysis of a composite truss joint [J]. Journal of Constructional Steel Research， 2011， 67（6）： 957-964.

[8]钱竹. 三主桁连续钢桁拱桥整体节点应力分布规律与构造研究 [D]. 长沙：中南大学土木工程学院， 2009：5-7.

[9]陈启飞，李爱群，赵大亮，等.预应力混凝土斜拉桥主梁局部应力子模型分析及实验[J].东南大学学报：自然科学版.2007， 37（2）： 287-290.

[10]闫斌， 戴公连. 高速铁路斜拉桥上无缝线路纵向力研究[J].铁道学报， 2012，34（3）：83-87.

[11]戴公连， 粟淼. 高速铁路独塔斜拉桥塔梁墩固结区局部应力研究报告 [R]. 长沙： 中南大学土木工程学院， 2012.

[12]曾宁烨. 大跨度轨道交通斜拉桥塔梁墩固结段局部应力分析 [D]. 成都： 西南交通大学， 2012.

[13]肖挺松. ANSYS三维模型中SOLID65单元的内力提取问题 [J]. 华东交通大学学报， 2012， （03）：74-79.

[14]徐伟，李智，张肖宁.子模型法在大跨径斜拉桥桥面结构分析中的应用[J]. 土木工程学报，2004，37（6）：30-34.

摘要：为增大桥梁纵向刚度、便于转体施工，沪昆客运专线上某（32+80+112）m槽型截面独塔斜拉桥将槽型梁两边箱插入塔柱中形成塔梁墩固结体系，其构造和受力情况极为复杂.为研究该桥塔梁墩固结区域的应力分布情况，采用大型通用有限元软件ANSYS建立塔梁墩固结区局部模型并验证模型正确性.在此基础上，分析固结区域结构传力路径和应力分布规律，探讨局部设计细节对固结区应力的影响.研究表明：塔梁墩固结区内整体应力水平低于固结区范围以外截面，但在槽型梁过渡至固结区内部的交接角以及固结区内部过人洞折角等处存在应力集中现象.通过改进结构设计细节可有效缓解各处的应力集中现象.

关键词：铁路桥梁；斜拉桥；局部分析；子模型法；槽型梁

中图分类号：U448.27；U448.13文献标识码：A

斜拉桥结构体系包括漂浮体系、半漂浮体系、塔梁固结体系（塔梁通过固定支座相连）和刚构体系（塔梁墩刚接）[1].在300 m以下跨度的轨道交通斜拉桥中，为提高桥梁纵向刚度，多采用塔梁固结或刚构体系，且主梁多为预应力混凝土结构.刚构体系的优点在于结构整体刚度较大，避免了在塔柱上设置大型支座，无需临时支撑和体系转换，尤其适合悬臂转体施工.其缺点在于塔梁墩连接区域构造复杂，固结部位易出现较大应力，因此，对于采用塔梁墩固结的斜拉桥，除做整体计算外，还应考察局部节点的应力分布情况.

国内外学者对斜拉桥局部受力分析已经有了较为广泛的研究，文献[2-3]分别对大跨度钢桁梁（箱）梁斜拉桥的索桁（梁）锚固结构进行了受力性能研究；文献[4]对某公铁两用斜拉桥边桁整体节点进行了数值分析和模型试验；文献[5-6]研究了斜拉桥塔梁固结处的应力分布；文献[7]对斜拉桥桥塔钢横桁梁整体节点进行了试验模型研究和有限元分析.但既有研究对象多为钢桁（箱）梁和混凝土箱梁，而对于高速铁路槽型截面斜拉桥上塔梁墩固结区而言，其应力分布情况尚不明确.

本文以沪昆客运专线某槽形截面塔梁墩固结斜拉桥为工程背景，建立局部空间实体单元模型，分析塔墩梁墩固结区受力特点、应力分布规律和传力机理，并对构造细节进行比较研究.

1局部分析方法

结构局部受力分析方法主要包括子模型法和直接建模法[8].子模型法又称切割边界位移法，是在整体模型的基础上切割边界生成考虑了结构构造细节的子模型，将切割边界上的位移值施加至子模型上，通过对子模型网格细分进行受力分析[9].子模型技术理论严谨，但要求整体模型必须是全桥实体单元或壳单元模型.直接建模法则根据局部结构建立实体单元模型，从整体计算模型中取出位移或内力结果施加至局部模型上，通过验证局部模型与整体模型在相同位置处的计算结果保证局部模型的正确性.直接建模法的思想实质跟子模型是一致的，且由于其整体模型中能考虑施工过程、混凝土收缩徐变和预应力钢筋等因素，在工程实践中应用较多，本文即采用该方法.

2工程背景

3空间有限元模型

整体有限元模型见图3，主梁和塔柱采用空间梁单元模拟，拉索采用杆单元模拟，为正确模拟拉索的空间位置，主梁和塔柱拉索锚固位置建立刚臂形成鱼刺梁模型.

在隔离体范围内建立局部模型时须保证边界截面远离应力分析区域，对矩形梁而言，通常认为影响范围为一个梁高[12].本文局部模型横桥向取桥梁全宽，竖桥向沿主梁底板上下侧分别长为11 m和7.641 m，顺桥向沿桥塔中心线小跨侧长9.5 m，大跨侧长11.6 m.塔柱为矩形空心截面，单根塔柱顺桥向宽6 m，横桥向宽3 m；槽型梁宽10.8 m，梁高不超过3.7 m，隔离体范围均大于两倍梁高.力的边界条件以刚域形式施加（在边界截面的质心处建立主节点，截面其余节点与主节点之间形成刚域，荷载施加至主节点上）而非集中力，可消除边界处荷载分布不均匀的影响.

6结论

将斜拉桥槽型梁两侧边箱插入塔柱中形成塔梁墩刚接体系，可压缩结构尺寸，减小转体重量.在设计荷载作用下，该桥塔梁墩固结区其整体应力水平满足规范要求，并且应力水平相对于固结区范围以外截面较低，其结构设计合理.

固结区中心截面腹板和底板应力的分析结果表

明，槽型截面的存在使得固结区沿横桥向存在一定水平拉应力，建议在设计时应加强横向普通钢筋配置.

对槽型断面塔梁刚接的斜拉桥而言，槽型梁底板上缘与塔柱交接角处，以及内部纵向过人洞与竖向过人洞交接角处存在较大的应力集中现象.

在响应位置加设圆弧倒角，可使结构形状过渡平缓，能较大幅度地减小应力集中程度.建议工程设计及施工时应避免在塔梁墩固结区结构出现尖角和折角，可通过加设倒角等措施使结构过渡平缓.

参考文献

[1]林元培. 斜拉桥 [M]. 北京：人民交通出版社， 2004： 32-33.

[2]付岚岚， 肖海珠. 斜拉桥钢桁梁索桁锚固结构设计受力分析 [J]. 桥梁建设， 2013， 43（2）： 87-92.

[3]张清华，李乔. 超大跨度钢箱梁斜拉桥索梁锚固结构试验研究[J]. 土木工程学报，2011，44（7）：71-80.

[4]卫星.郑州黄河公铁两用斜拉桥斜桁节点受力性能研究[J].铁道学报，2011，33（9）：90-93.

[5]吴美艳，杨光武，郑舟军.马鞍山长江公路大桥塔梁固结处模型试验研究[J].桥梁建设，2011，41（3）：13-16.

[6]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， 38（1）： 54-57.

[7]XUE Dongyan， LIU Yuqing， HE Jun， et al. Experimental study and numerical analysis of a composite truss joint [J]. Journal of Constructional Steel Research， 2011， 67（6）： 957-964.

[8]钱竹. 三主桁连续钢桁拱桥整体节点应力分布规律与构造研究 [D]. 长沙：中南大学土木工程学院， 2009：5-7.

[9]陈启飞，李爱群，赵大亮，等.预应力混凝土斜拉桥主梁局部应力子模型分析及实验[J].东南大学学报：自然科学版.2007， 37（2）： 287-290.

[10]闫斌， 戴公连. 高速铁路斜拉桥上无缝线路纵向力研究[J].铁道学报， 2012，34（3）：83-87.

[11]戴公连， 粟淼. 高速铁路独塔斜拉桥塔梁墩固结区局部应力研究报告 [R]. 长沙： 中南大学土木工程学院， 2012.

[12]曾宁烨. 大跨度轨道交通斜拉桥塔梁墩固结段局部应力分析 [D]. 成都： 西南交通大学， 2012.

[13]肖挺松. ANSYS三维模型中SOLID65单元的内力提取问题 [J]. 华东交通大学学报， 2012， （03）：74-79.

[14]徐伟，李智，张肖宁.子模型法在大跨径斜拉桥桥面结构分析中的应用[J]. 土木工程学报，2004，37（6）：30-34.