铁路矮塔斜拉桥塔墩梁固结段应力分析

张慎清

（常州市铁路建设处 常州 213000）

矮塔斜拉桥又称部分斜拉桥，是一种新兴的桥型结构。由于其优越的结构性能，良好的经济指标，越来越显示出巨大的发展潜力。近年来，由于铁路的大规模发展，也出现了一批造型新颖的铁路矮塔斜拉桥［1－4］。

本文选取主跨为144 m＋288 m＋144 m的铁路混凝土矮塔斜拉桥为工程背景。主桥共分145个梁段，根据梁段所处位置，边跨依次编号B1～B36，中跨A1～A37，其中0号梁段长19 m，边跨合龙段B35号梁段2.0 m，中跨合龙段A37号梁段长3.0 m，其他悬臂梁段长分2.5，3.0，3.5，4.0 m 4种。

截面采用单箱双室截面，直腹板，斜拉索锚固于悬臂板。索塔采用门式桥塔，桥面以上塔高40.0 m，桥面以上塔的高跨比为1／7.2。为适应分丝管索鞍，塔柱采用矩形实体截面，顺桥向宽5.6 m，横桥向宽2.8 m。见图1。

图1 总体立面布置示意图（单位：m）

1 整体计算

采用MIDAS／CIvIl对乌龙江特大桥进行整体分析，以便确定局部分析时模型的荷载边界条件。整体分析模型采用空间杆系结构体系，主梁、墩塔均采用梁单元建立，斜拉索则采用杆单元建立。墩底承台与地面固结。整体分析模型采用梁单元362个，节点373个。其整体模型见图2。

图2 MIDAS整体模型

利用MIDAS的移动荷载追踪功能，求出主力工况及主力＋附加力工况下2个主梁截面出现最大（最小）轴力和弯矩时的荷载组合。通过综合比较，选择出4种较为不利的荷载组合用于局部应力分析，分别为：主力作用下主梁最大轴力工况；主力作用下主梁最大弯矩工况；主＋附作用下主梁最大轴力工况；主＋附作用下主梁最大弯矩工况，见表1。

表1 各工况下实体模型外力

2 实体模型的建立

塔、梁、墩固结处结构形式复杂，又有大量预应力筋从这个部位穿过，采用一般有限元分析方法难以精确地模拟此处的应力分布情况。因此，采用实体单元建立塔梁墩固结段局部结构的有限元模型，对其进行细部分析以获取其受力状态与力学行为，为该桥的细部设计提供依据。

塔梁墩固结段有限元模型由2个部分组成，即混凝土模型以及预应力索模型，通过节点耦合法将混凝土模型以及预应力索模型连接。混凝土模型整体采用Solid45单元划分六面体单元，局部运用Solid95单元划分四面体单元；预应力索模型采用Link8单元划分网格，所建立的固结段及预应力模型见图3、图4。

图3 塔梁墩固结段整体模型

图4 纵向预应力索有限元模型

3 应力计算结果与分析

利用有限元分析软件ANSYS对所建立的模型进行分析，主力工况下固结段的应力分布见图5～8。

由图5、图6可见，塔梁墩固结段的纵向应力水平较低。上塔肢外缘与主梁0号块交界处存在较为明显的应力集中现象，而上塔肢内缘与主梁0号块交界处由于设置圆弧倒角进行过渡，应力集中的水平显著缓解。除此之外，绝大部分结构混凝土的纵向应力介于－20.9～0 MPa之间，最大纵向压应力出现在0号块上翼缘。同时，由于横向预应力束的作用，塔梁墩固结段横向整体受压，扣除塔与主梁连接处应力集中点的影响，横向压应力水平未超过8.0 MPa，最大值出现在0号块上翼缘。

图5 主力纵向应力云图（单位：MPa）

图6 主力横向应力云图（单位：MPa）

由于塔柱内倾，索力作用下桥塔承受面外弯矩，导致塔柱内侧受压、外侧受拉，塔梁墩固结段中塔柱的下延部分出现一定程度的主拉应力，其值不超过0.825 MPa，见图7、图8。

图7 主力第一主应力云图（单位：MPa）

图8 主力第三主应力云图（单位：MPa）

主＋附加力应力分布见图9～12。

图9 主＋附加力工况下纵向应力云图

图10 主＋附加力横向应力云图（单位：MPa）

由图9、图10可见，塔梁墩固结段的纵向应力水平较低，上塔肢外缘与主梁0号块交界处存在较为明显的应力集中现象，而上塔肢内缘与主梁0号块交界处由于设置圆弧倒角进行过渡，应力集中的水平显著缓解。

由于塔柱内倾，索力作用下桥塔承受面外弯矩，导致塔柱内侧受压、外侧受拉，塔梁墩固结段中塔柱的下延部分出现一定程度的主拉应力，其值不超过0.81 MPa，见图11、图12。

图11 主＋附加力第一主应力云图

图12 主＋附加力工况下第三主应力云图

4 结论

（1）各个荷载工况作用下，塔梁墩固结段混凝土应力分布均匀流畅，除上塔肢外缘与与0号块顶面的交界处压应力值超过－37 MPa外，结构中没有出现明显的应力集中现象。

（2）主力及主＋附工况下，不计应力集中的影响，塔梁墩固结段混凝土主压应力最大值为－23.5 MPa，出现在上塔肢外缘与与0号块顶面的交界面附近；受面外弯矩作用，塔柱外侧会出现不超过1.0 MPa的主拉应力，横隔板内表面会受到不超过1.8 MPa的主拉应力。

（3）各个荷载工况作用下，应力集中区域仅出现在个别位置且在小范围内恢复到正常应力水平。滤去这些区域的应力后塔梁墩固结段混凝土的应力水平未超过规范给出的材料强度限值。

［1］ 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（4）：41-44.

［2］ 顾安邦，徐君兰.矮塔斜拉桥［C］.中国公路学会桥梁和结构工程学会2001年桥梁学术讨论会论文集，2001：134.

［3］ 张海文，李亚东.矮塔斜拉桥索鞍混凝土局部应力分析［J］.铁道标准设计，2009（1）：42-44.

［4］ 丁志威，张俊峰，武修雄，等.斜拉桥索塔与索梁锚固区局部应力分析［J］.交通科技，2011（5）：4-6.