矮塔斜拉桥塔梁墩固结部位受力分析

余 振

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司; 公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088)

1 概 述

矮塔斜拉桥以其良好的景观性及日趋成熟的设计，应用范围越来越广。

某工程桥跨布置为(30.96+65+120+65+30.96)m，塔梁墩固结结构。桥面总宽达46.0 m，梁高从中支点的5.0 m过渡到跨中的2.8 m。主墩高13.5 m，桥塔高22.9 m，横桥向桥塔宽度为2.6～3.7 m；顺桥向桥塔宽度为3.6～3.8 m，从塔底到塔顶沿两个方向均呈线性变化。桥塔横桥向外倾设计，倾角18°。

桥塔造型美观新颖，但外倾桥塔根部在外荷载作用下产生的弯矩和轴力不容小觑。塔梁墩固结段是全桥的关键构造节点，且在桥梁使用过程中塔梁墩固结段存在着巨大而复杂的内力，加之下部墩高较矮，尽管采用了双薄壁墩，但刚度依然很大，使得塔梁墩固结段的受力更为不利，有必要专门对塔梁墩固结段进行精细化的三维空间有限元仿真分析。

2 建模说明

上部桥塔仅截取锚固区以下8.0 m长度段；主梁选取桥塔两侧各16.0 m长度段，共计32.0 m；主墩完全模拟。本文选取足够长的主梁节段，计算结果分析时，不看边界约束附近的区域，以下结果分析时仅针对关心的区域(桥塔两侧各5 m共计10 m的梁段)。

3 模型处理

3.1 边界条件

在主墩底部固结约束，在主梁两端及桥塔顶端施加从整体计算模型中提取的内力。

3.2 计算荷载

局部模型的加载方式至关重要，既要考虑全面又不能重复。模型节段上的恒载根据实际情况施加。活载按照相关规范取值，双向六车道并考虑局部荷载放大系数。提取整体计算模型中塔梁墩受力最不利荷载工况下结构内力，施加于局部模型上。

3.3 计算模型

模型如图 1所示。

图1 计算模型

4 计算结果分析

4.1 主梁计算结果分析

从图 2中可以看出，最大顺桥向压应力发生在横向预应力钢筋的锚固位置；最大拉应力发生在主跨侧墩梁固结位置及主塔正对的主梁腹板外侧。离开塔梁墩固结段位置之后应力衰减较快，应力传递平稳。

图2 主梁节段顺桥向应力分布/kPa

本项目主梁横向宽度达46.0 m且主梁悬臂达6.0 m，横桥向应力需特别关注。从图 3中可以看出，因设计中未设置顶板横向预应力，导致横桥向应力较大。横桥向最大拉应力、压应力均发生在悬臂根部上下缘位置，最大压应力为-11.52 MPa，满足规范限值要求；最大拉应力达12.313 MPa，后期可通过配置横向预应力予以解决。另可看出离开塔梁墩固结段位置之后应力分布规律均类似，但量值减小。

图3 主梁节段横桥向应力分布/kPa

从图 4中可以看出，最大竖向拉应力发生在墩梁固结位置及桥墩正对的主梁腹板外侧，且个别位置超过规范限值要求，该位置受力复杂，承受来自塔、梁、墩的共同作用，需引起足够重视。

图4 主梁节段竖桥向应力分布/kPa

4.2 桥塔计算结果分析

由于左右两个塔肢计算结果相近，这里仅列出右塔肢的应力分析结果。如图 5所示，最大主拉应力和压应力均发生在塔梁交接位置的角点，塔肢和主梁交接位置的角点受力最不利，存在应力集中现象，局部主拉应力较大，应采取必要的构造配筋等措施。

图5 右塔肢主应力分布/kPa

4.3 桥墩计算结果分析

由于左右两个桥墩计算结果相近，这里仅列出右桥墩的应力分析结果。如图 6所示，最大主拉应力发生在墩梁交接位置的角点，且在主跨侧墩肢的主拉应力更为不利；最大主压应力同样发生在墩梁交接位置的角点；下部桥墩和主梁交接位置的角点受力最不利，存在应力集中现象，局部主拉、主压应力均较大，应引起重视并采取必要的构造配筋等措施。

图6 右桥墩主应力分布/kPa

5 结 论

塔梁墩固结位置受力复杂，在设计过程中需给予更大的关注，采用实体分析是较好的方法。

通过前文的计算分析，对设计提出以下优化建议：

(1)主梁桥宽很宽且由于悬臂长度达6.0 m又无横向预应力布置，导致悬臂根部上下缘位置横桥向应力均较大，可通过配置横向预应力予以解决。

(2)塔梁墩固结段受力较为复杂，且最大拉应力发生在主跨侧墩梁固结位置及主塔正对的主梁腹板外侧，该位置受力复杂，承受来自塔、梁、墩的共同作用，需引起足够重视。

(3)塔肢和主梁交接位置的角点受力复杂，应力水平较高，局部主拉应力较大，应引起重视并采取必要的构造配筋等措施。

(4)下部桥墩和主梁交接位置的角点存在应力集中现象，局部主拉、主压应力均较大，应引起重视并采取必要的构造配筋等措施；此外，下部桥墩主跨侧墩肢的受力更为不利，分析认为是由于主梁两端的不平衡力造成，加之墩高较矮，刚度较大的原因，应采取必要措施。

对于塔梁墩等局部受力较为复杂的结构，整体分析模型已不能反映真实的受力状态，需要采用更精确的实体分析方法研究其详细的受力状况，以期为设计提供更准确的参考。