大跨度V型双拱塔斜拉桥索塔钢

王大千1,2,李志强1

(1.中国市政工程东北设计研究总院有限公司 长春市 130021；2.西南交通大学土木工程学院 成都市 610031)

摘要： 主塔钢-混结合段是索塔受力的关键部位,是结构设计中重点关注的细部结构,因此有必要进行局部应力分析。首先根据圣维南原理,采用大型空间有限元分析软件midas fea建立了主塔钢-混结合段的有限元模型,然后分4种静力荷载工况对钢-混结合处的应力水平及应力分布情况进行了较为详细的分析。结果表明：主塔钢-混结合段各构件应力水平不高,钢结构处于弹性工作状态,未出现屈服,混凝土主拉与主压应力水平较低,结构设计合理,能够满足设计与使用要求。

关键词： 斜拉桥；V型双拱塔；钢-混结合段；空间应力；有限元分析

0 引言

近年来随着城市建设的发展越来越多的跨河桥梁兴建起来,桥梁不仅承担着连通河两岸的结构物更起着提升城市景观的作用。由于斜拉桥在力学上具有受力简洁明快、施工工艺成熟,在景观上因其索塔高大挺拔、拉索刚劲有力、主梁线形柔美等特点备受业主青睐。由于双拱塔构成的V型不仅寓意胜利、旗开得胜之意而且也似一双张开的双手,有开放包容之意,同时兼具拱桥与斜拉桥的美学特点,越来越多地应用到斜拉桥的桥塔造型中,如沈阳三好桥、西安沣河桥、荔波官塘大桥等。目前对于斜拉桥的局部分析多是针对索塔锚固区、主梁钢-混结合段等[1-3],而针对钢-混索塔的钢-混结合段来说研究较少,然而其本身构造的复杂性及结构的重要性,有必要进行局部应力分析[4-6]。以朝阳新城东街大桥(跨径组合2×90mV型双拱塔斜拉桥)为工程实例,建立了桥塔钢-混结合段的局部有限元模型,对关键板件进行了空间应力分析,得出一些结论以供设计参考。

1 工程概况

朝阳新城东街大桥为跨径组合2×90m双拱塔斜拉桥。主梁采用单箱四室预应力混凝土箱梁,拱塔采用双拱塔V字形,拱塔中心倾斜20°,拱轴线为椭圆线,拱塔断面为单箱单室钢箱断面。拱塔拉索锚固采用钢锚箱方式,腹板之间沿斜拉索的角度设置40mm厚承压侧板。承压侧板外侧设置25mm厚加劲板。承压侧板与加劲板顶面设置厚度为40mm的承压顶板,承压顶板顶面设置厚60mm锚垫板。斜拉索和水平拉索采用标准强度为1670MPa的高强度镀锌平行钢丝外挤包高密度聚乙烯拉索,全桥共60根。主墩为矩形实心混凝土墩,顺桥向宽3m,横桥向为2个独立基础,承台厚5m,承台下设162m钻孔灌注桩。桥型布置图见图1所示。

2 模型建立

2.1 钢-混结合段结构构造

拱塔底部与混凝土塔柱结合处采用承压式设计[7]。每个拱塔底部内外侧均设置若干道宽度为250～450mm、厚度30mm的底部加劲肋,同时在混凝土塔柱锚杆对应位置设置宽130mm、厚20mm和宽370mm、厚25mm的锚杆支撑加劲肋。底部加劲肋与锚杆支撑加劲肋顶部设置厚度为30mm的顶板,拱塔以及各加劲肋底部设置厚度80mm的承压板。混凝土下塔柱内设置的锚杆穿过承压板以及顶板上预留孔洞锚固在顶板顶部设置的垫板上,将混凝土塔柱与钢拱塔紧密连接为一体。在垫板底部的拱塔壁板对应处,设置与拱塔壁板厚度一致的锚固板,并在锚固板上设置宽度250mm、厚25mm的加劲板。加劲板上设置若干直径100mm的钢筋穿过孔,通过预设直径为25mm的钢筋,使其与混凝土塔柱更为牢固地结合为一体,具体见图2所示。

图1 桥型布置图/cm

图2 主塔钢-混结合段构造示意图/cm

2.2 有限元模型

采用大型空间有限元分析软件midas fea分析主塔钢-混结合段处的应力水平及应力分布情况。空间有限元模型全部采用实体单元精确模拟,连接处各个板件包括主塔顶板、底板、腹板、横隔板和加劲肋以及混凝土塔座等,划分网格时可将关心区域的网格划分得更细些。为方便从全桥计算结果中提取局部力边界条件且满足圣维南原理的要求,主塔钢-混结合段处局部模型截取范围为钢塔取3m,混凝土塔座按照实际结构去模拟[8-10]。有限元模型见图3。

2.3 边界条件

根据整体分析的结果,将主力组合荷载作用下提取出的对应构件对应位置的内力互相叠加后,将内力由整体模型中的单元局部坐标系转换为局部模型的整体坐标系下,即得到局部模型中每个杆件应施加的力边界条件,并按静力等效原则将转换后的内力施加于各断面。鉴于有限元模型有三个自由端,为了消除刚体位移,此处将主塔下端固定,即约束此端节点的全部自由度,其它自由端按静力等效原则施加力的边界条件,按照总体计算得到的钢-混接头处各工况下截面内力进行加载,锚杆力考虑成桥状态下的轴力取值为130t。

图3 索塔钢-混结合段有限元模型

3 空间应力分析

分4种静力荷载工况对钢-混结合处的应力水平及应力分布情况进行较为详细的分析。各静力荷载工况下锚固面各板件及混凝土局部空间应力分析结果见表1。

表1 各静力荷载工况下锚固面各板件及混凝土塔座的最大应力值

位置各工况应力值/MPa恒载工况轴力最大工况横桥向弯矩最大工况顺桥向弯矩最大工况N1和N1a39.444.145.748.4N2和N2a43.148.751.950.9N3和N3a120.4136.2145.4142.2混凝土主拉应力2.12.12.32.2塔座主压应力10.812.212.512.6

从表1可得出,N1和N1a板空间应力值最大为48.4MPa,发生在顺桥向最大弯矩工况；N2和N2a板空间应力值最大为51.9MPa,发生在横桥向最大弯矩工况；N3和N3a板空间应力值最大为145.4MPa,发生在横桥向最大弯矩工况；混凝土塔座最大主拉应力为2.3MPa,发生在横桥向最大弯矩工况；最大主压应力为12.6MPa,发生在顺桥向最大弯矩工况；各静力荷载工况下主塔钢-混结合段各构件应力水平不高,钢结构处于弹性工作状态,未出现屈服；混凝土主拉、主压应力水平较低。

主塔钢-混结合段各构件发生最大应力值时的应力云图见图4。

从图4可得出,N1和N1a构件最大压力发生在N1和N1a板与钢锚栓的相交处；N2和N2a构件最大压力发生在N2和N2a板与钢锚栓加劲肋的相交处；N3和N3a构件最大压力发生在N3和N2板、N3a和N2a板的相交处。各构件发生最大应力值时,应力较为均匀,没有明显的应力集中现象,整体应力水平不高,结构处于弹性工作状态,未出现屈服。

(a)N1和N1a板发生最大应力值时的应力云图

(b)N2和N2a板发生最大应力值时的应力云图

(c)N3和N3a板发生最大应力值时的应力云图

(d)混凝土塔座发生最大拉应力值时的应力云图

(e) 混凝土塔座发生最大压应力值时的应力云图
图4 主塔钢-混结合段各构件发生最大应力值时的应力云图/MPa

4 结论

以朝阳新城东街大桥(跨径组合2×90mV型双拱塔斜拉桥)为工程实例,根据圣维南原理,建立了桥塔钢-混结合段的局部有限元模型,对关键板件进行了空间应力分析,得出以下结论。

(1)主塔钢-混结合段各构件应力最大值发生在不同的静力荷载工况下,N1和N1a板最大应力值发生在顺桥向最大弯矩工况；N2和N2a板最大应力值发生在横桥向最大弯矩工况；N3和N3a板最大应力值发生在横桥向最大弯矩工况；混凝土塔座最大主拉应力发生在横桥向最大弯矩工况,最大主压应力发生在顺桥向最大弯矩工况。

(2)各构件发生最大应力值时应力较为均匀,没有明显的应力集中现象,发生的部位也不相同,N1和N1a构件最大压力发生在N1和N1a板与钢锚栓的相交处；N2和N2a构件最大压力发生在N2和N2a板与钢锚栓加劲肋的相交处；N3和N3a构件最大压力发生在N3和N2板、N3a和N2a板的相交处。

(3)主塔钢-混结合段各构件应力水平不高,钢结构处于弹性工作状态,未出现屈服,混凝土主拉与主压应力水平较低,结构设计合理,能够满足设计与使用要求。

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Finite Element Analysis on Steel-concrete Composite Joint of Double Arch-tower Cable-stayed Bridge Tower

WANG Da-qian1,2,LI Zhi-qiang1

(1.China Northeast Municipal Engineering Design & Research Institute Co.,Ltd.,Changchun 130021,China；2.School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Abstract The stress of steel-concrete composite joint was the key of the pylon design, and should focus emphasly, so it was necessary to analyze the local stress. Firstly, according to the principle of Saint-Venant, the finite element model of the steel-concrete composite joint of the tower was established by using midas fea, then the stress level and distribution of the steel-concrete composite joint were analyzed in detail under four kinds static load conditions.The results shown that, the stress level of each component of the steel-concrete composite joint was not high, and the steel part was in elastic working condition and yield wasn't emerged, the main tensile and compressive stress of the concrete part were very low, the design was reasonable and could meet the design and application requirements.

Key words Cable-stayed bridge；V-type double arch-tower；Steel-concrete composite joint；Spatial stress；Finite element analysis

中图分类号： U448.27

文献标识码： A

文章编号： 1673-6052(2018)01-0001-04

DOI：10.15996/j.cnki.bfjt.2018.01.001