独塔斜拉桥钢混结合段应力分析

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２３卷第３期　２００７年６月　结构工程师　ＶｏＩ．２３．Ｎｏ．３　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ　Ｊｕｎ．２００７　独塔斜拉桥钢混结合段应力分析　张国泉　戴少雄　（１．同济大学桥梁工程系，上海２０００９２；２．天津市市政工程设计研究院，天津３０００５１）　摘要　以西安沪灞河生态区大门桥梁工程２号桥——双索独塔混合梁斜拉桥钢混结合段为例进行局　部分析，讲述了采用有限元模型进行准确分析的详细方法，并对局部分析结果与整体分析结果进行了对　比。　关键词钢混结合段，局部分析，节段模型，有限元分析，荷载工况，应力　Ｓｔｒｅｓｓ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｓｔｅｅｌ——Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｃｏｍｂｉｎｅｄ　Ｓｅｃｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ａ　Ｃａｂｌｅ　Ｓｔａｙｅｄ　Ｂｒｉｄｇｅ　ｗｉｔｈ　Ｓｉｎｇｌｅ　Ｔｏｗｅｒ　ＺＨＡＮＧ　Ｇｕｏｑｕａｎ’ＤＡＩ　Ｓｈａｏｘｉｏｎｇ　（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｂｒｉｄｇｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，Ｔｏｎ￣ｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００９２，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｔｉａｎｊｉｎｇ　Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００５１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｔｈｅ　ｌｏｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ——ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｓｅｃｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ａ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｃａｂｌｅ　ｓｔａｙｅｄ　ｂｒｉｄｇｅ　ｗｉｔｈ　ｓｉｎｇｌｅ　ｔｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｄｏｕｂｌｅ　ｃａｂｌｅ　ｐｌａｎｅ　ｉｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ａｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｔｈｅ　Ｎｏ．２　ｂｒｉｄｇｅ　ｉｎ　ｂｒｉｄｇｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｆ　Ｃｈａｎｂａ　Ｒｉｖｅｒ　Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｚｏｎｅ　Ｇａｔｅ　ａｔ　Ｘｉａｎ．Ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｅｘａｃｔｌｙ　ｕｓｉｎｇ　ｉｆｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎｄ　ｌｏｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｇｌｏｂａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｒｅｓｕｌｔｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｓｔｅｅｌ—ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｓｅｃｔｉｏｎ，ｌｏｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｓｅｇｍｅｎｔａｌ　ｍｏｄｅｌ，ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｌｏａｄ　ｃａｓｅ，ｓｔｒｅｓｓ　１概述　桥，其跨径布置为１４５　ｍ＋４８　ｍ＋４２　ｍ。主塔高　７８　ｍ，倾角７５。，采用拱形塔，主梁从塔中穿过。　主塔拉索间距２．５～３．８　ｍ，主跨索距６．０　ｍ，边跨　索距３．８　ｍ，拉索采用扇形索形式。　主梁采用钢主梁与预应力混凝土梁混合梁形　式。根据结构的受力性能、车辆的通行条件、主梁　随着社会经济和科学技术的不断发展，人们　对桥梁的要求再不仅限于其功能上，对结构的景　观造型、经济合理的要求也愈来愈高。桥梁造型　正日趋多样化、复杂化，结构形式亦组合化。混合　梁斜拉桥的结构特点为：边跨主梁重量和刚度加　大，减小主跨内力和变形；降低或避免边跨端支点　的负反力；减少全桥钢梁长度，节省造价。根据这　些特点，混凝土梁与钢梁的连接区域，如斜拉桥中　钢混联结段、拱桥中钢拱与拱脚混凝土段联结区　与塔的连接构造、斜拉索的锚固要求及结构的抗　风稳定性综合考虑，主梁的断面形式采用双箱双　室薄壁型断面，并设有风嘴。主梁标准横断面布　置见图１　等，在现在桥梁建设中使用频率正逐步上升。本　文以西安泸灞河生态区大门桥梁工程２号桥——　双索面独塔混合梁斜拉桥钢混结合段为例进行应　力分析。　２号桥主桥结构形式为独塔半飘浮体系斜拉　收稿日期：２００６—０９—２２　图１　斜拉桥主梁横断面布置图（单位／ｍ）　维普资讯 http://www.cqvip.com ・结构分析・　．２７．　结构工程师第２３卷第３期　为使钢箱梁和混凝土箱梁紧密结合，配置４１　２结合段构造　钢梁和混凝土梁结合段位于主跨侧距主墩１２．５　根４，２５精轧螺纹钢筋，长度８　ｍ，分别锚固在混凝　土梁和承压钢板上。另外，混凝土主梁的纵向预　应力钢束全部锚固于承压钢板上。钢混结合段基　本构造见图２。　ｍ位置处，采用承压钢板式，其承压钢板厚６０　ｉｎｎｑ。　ｊ钢混结合段ｊ塑堕　望　Ｕ　Ｕ３　钉　ＡＩ】Ｂ　图２钢混结合段基本构造　由于该斜拉桥存在较大的水平力，采用２８～　４０　ｍｍ钢板焊接成止推块箱体，并由２８　ｍｍ钢板　段端部下底板加支座限位，钢梁端和混凝土梁端　加平截面边界约束（图５）。不直接模拟斜拉索，　而采用斜拉索轴力空间分解后直接作用于斜拉索　锚固点。　将止推块箱体与混合段钢箱梁腹板焊接，止推块　与主墩承台之间设置纵向支座。　３模型建立　３．１单元划分　对钢混结合段建立空间有限元模型进行局部　应力分析。根据圣维南原理，为避免边界条件对　所研究段的影响，考虑分析梁段长度近似取梁宽，　使钢混结合段大致位于模型梁段中部，同时考虑　梁段的边界条件特点和钢梁的节段划分，取模型　梁段２８．６　ｍ，其中，混凝土梁段１１．１　ｍ，结合段　２．５　ｍ，钢梁段１５　ｍ，混凝土梁段始于主墩支座中　心线位置。　图３钢混结合段有限元模型　考虑有限元模型较大，单元数量较多，因此，　采用对称模型，钢箱梁段采用高阶板单元模拟，混　凝土箱梁段采用高阶块体单元模拟，预应力钢绞　图４止推块有限元模型　线和精轧螺纹钢筋采用索单元模拟。全部模型共　９５　３１４个节点，５２　８０３个单元，其中，板单元　１５　７７８个，块体单元３６　９４８个，索单元７７个。钢　混结合段有限元模型如图３所示，图４给出了止　推块模型细部。　３．２边界条件　梁体桥面中心截面上加对称荷载，混凝土梁　图５有限元模型边界条件图示　维普资讯 http://www.cqvip.com Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ　Ｖｏ１．２３，Ｎｏ．３　４　作　用　４．１作用类型　１）恒载作用　按实际结构几何尺寸建立模型，施加重力加　速度来计算结构自重，二期恒载按照桥面横断面　布置，包括中央分隔带、人行道、栏杆、桥面铺装。　预应力索给定温度膨胀系数，按降温来施加　预应变，模拟预应力作用。　２）活载作用　城市一Ａ级汽车荷载按６车道加载，横向按　３．０　ｍ车道布置，单车道荷载集度１０　ｋＮ／ｍ，则车　辆荷载面作用集度１．８３　ｋＮ／ｍ　；人群荷载４．０　ｋＮ／ｍ　。　４．２作用工况　根据取出的节段，需获得两端受力情况才能　进行正确边界的模拟，故需结合全桥整体分析结　果才能确定模型节段上真实受力状况。用Ｍｉｄａｓ　Ｃｉｖｉｌ有限元软件建立空间杆系模型（图６）进行分　析，共考虑模型节段钢混结合段截面处节点４种　荷载状况：①节点轴力最大；②节点弯矩最大；③　节点轴力最小；④节点弯矩最小。由于恒载的作　用是定值，故引起轴力及弯矩最大或最小的主要　作用是活载作用，从而需考虑在以上４种荷载工　况下模型节段区域上对应活载加载位置和范围、　对应荷载值及斜拉索对应的索力，并将这些荷载　准确加到模型节段上，才完全模拟了真实受力状　态。图７为钢混结合段截面处节点的最大弯矩影　响线和车道加载范围（工况②）。受篇幅限制，略　去其他工况影响线图。　图６斜拉桥整体计算模型　根据全桥整体分析，得到如表１的荷载工况，　对模型进行分析计算。经分析，工况③作用下，钢　混结合段受力最不利。　图７　Ｍｙｍａｘ的影响线和车道荷载范围（工况②）　表１　内力控制值工况　作用工况　控制因素　加载长度　①　节点轴力最大　无活载区域　②　节点弯矩最大　加载区域均布９．５２—２５．０　Ｉｎ＋集中力　③　节点轴力最小　全区域加均布荷载，无集中力　④　节点弯矩最小　加载区域均布０—１１．０　Ｉｎ，无集中力　表２—４中列出工况③和恒载作用下钢混结　合段局部模型两端内力、斜拉索轴力和止推块水　平力。　表２　节段端部截面的内力　荷截作用状况　单元　轴向力　剪力一　弯矩～Ｙ　／ｋＮ　／ｋＮ　／（ｋＮ・ｍ）　工况③　钢梁侧　一１０　３５７　１　０７３　—１２　２４８　混凝土梁侧　一１１　５９４　—１　２５０　—４３　９２７　钢梁侧　一５４　９１１　３１０　４　８７５　恒载作用　混凝土梁侧　一１８Ｏ　７１６　—１０　３７６　—６　９２２　表３　斜拉索轴力　ｋＮ　荷截作用状况　Ｃ１　Ｃ２　Ｃ３　Ｃ４　工况③活载引起增量　１４３　１８６　２２５　２５７　恒载作用　１　１９３　９５０　１　０９０　１　１１８　表４　止推块水平力　ｋＮ　荷截作用状况　水平力　工况③　一６　６３９　恒载作用　一２３　０２１　５有限元分析结果　分别对恒载和荷载组合工况③时钢混结合段　的混凝土梁、钢梁和止推块的应力进行了分析。　为突出研究重点，且去除边界条件的影响，钢混结　合段混凝土梁取结合段到混凝土横梁２这一部分　结果进行分析，钢混结合段钢梁取结合段到第一　根Ａ型横梁这部分结果进行分析（限于篇幅，未　列出止推块的应力结果）。　有限元分析时，预应力锚固区会出现不同程　维普资讯 http://www.cqvip.com ・结构分析・　．２９．　结构工程师第２３卷第３期　度的应力集中现象，但并不是本分析的主要研究　内容，为不使这种应力集中现象影响到其他应力　的显示，将预应力锚固点屏蔽为零应力点。　５．１钢混结合段混凝土梁　２４．３７　ＭＰａ之间，见图１　１。　钢混结合段混凝土梁顺桥向正应力大小为一　１７．６９～２．２９　ＭＰａ，见图８。最小正应力一１７．６９　ＭＰａ发生在结合段预应力锚固区附近，属于局部　应力集中现象，而最大正应力２．２９　ＭＰａ是由于预　应力锚固点屏蔽为零应力点导致的，可以不作考　一１８．９６９　－１４　６６　—１０．３５　～６　０４　—１．７３　１６　８１４　—１２　５０５　—８　１９５　—３．８８５　．４２４　８２８　—虑，故钢混结合段混凝土梁顺桥向正应力大小基　本在一１５．４７一一６．５９　ＭＰａ范围内，结合段混凝　土因截面较大，顺桥向正应力较小，结合段在横梁　１处突变变小，顺桥向正应力较大。　整个钢混结合段混凝土粱第一主应力水平都　比较低，在一０．８～１．６　ＭＰａ范围内，见图９。　钢混结合段混凝土梁第三主应力大小基本在　一１４．６６一一１．７３　ＭＰａ范围内，见图１Ｏ。　一１７　６９ｌ　—ｌ３．２５　１　—８．８１　１　ｑ．３７１　．０６８　５５　—１５．４７１　—１１　０３１　—６　５９ｌ　一２　１５１　２　２８８　图８　钢混结合段混凝土梁顺桥向正应力分布　一８０３　２２２　３９９　０８４　１　６０１　２　８０４　４．００６　一．２０２　０６９　１　２．２０３　３　４０５　４．６０７　图９钢｝昆结合段？昆凝土梁第一主应力分布　５．２钢混结合段钢梁　由于结合段钢梁和混凝土共同作用，第一主　应力水平较低，在～３．９５—３．１３　ＭＰａ之间，靠近　结合段附近钢梁第一主应力水平在一３．９５～　图１Ｏ　钢混结合段混凝土梁第三主应力分布　一３　９４６　ｌ０＿２１４　２４　３７３　３８．５３３　５２　６９２　３．１４３　１７．２９３　３１　４５３　４５　６１３　５９　７７２　图１　１　钢｝昆结合段钢梁第一主应力分布　由于预应力的作用，和混凝土共同作用的结合　段钢梁的第三主应力较其附近钢主梁要大，最大达　到一５５．４６　ＭＰａ，位于预应力筋布置较为集中的中　腹板和顶板附近。结合段附近钢主梁第三主应力　水平较低，在一３Ｏ．４６—２．８７　ＭＰａ之间，见图１２。　Ｖ　ｘｆ　Ｚ　一７２．１２１　４５６　—６３．７８８　—５５　－４７．１２３　２３８．７９　—３０　４５７　—２２　１２５　—１３．７９２　—５．４５９　２．８７３　图１２钢混结合段钢梁第三主应力分布　另外，钢混结合段钢梁的Ｖｏｎ　Ｍｉｓｅｓ应力水　平在０．０８—７８．３４　ＭＰａ之间，见图１３。不考虑预　应力锚固点附近局部应力集中现象，最大Ｖｏｎ　Ｍｉ．　８ｅ８应力为５２．２５ＭＰａ。　５．３整体分析应力状况　为了验证局部分析的合理性，与全桥整体分　维普资讯 http://www.cqvip.com Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ　Ｖｏ１．２３，Ｎｏ．３　Ｓｔｕｃｔｕｒａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　析结果进行应力范围对比，见表５。　在规范允许范围内。　６结　论　（１）运用有限元程序进行节段模型分析时，　需要较准确模拟边界条件和受力工况，而受力工　况应根据最不利荷载工况下按全桥影响线确定其　加载范围和大小。　０８４　ｌ４８　ｌ　７．４７４　３４　８６３　５２．２５２　６９　６４２　８．７７９　２６．１６８　４３　５５８　６０　９４７　７８．３３７　（２）分析结果中应排除由于边界约束、预应　力锚固、斜拉索锚固等局部应力集中效应的现象。　（３）节段模型分析与整体模型分析应力水平　基本能达到统一，但节段模型分析应力较整体分　析应力要高，尤其结合段处混凝土梁局部效应更　明显，故适当进行关键节段模型分析是必要的。　（４）结合段处应力集中较明显，受力较复杂，　应保证连接构造的施工质量。　ｒｌ　ｒＬ　ｒＬ　图１３钢混结合段钢梁Ｖｏｎ　Ｍｉｓｅｓ应力分布　表５　最不利工况　最不利工况应力对比　钢梁　上缘　下缘　混凝土梁　上缘　ＭＰａ　下缘　节段模型分析　全桥整体分析　５２　４８　—４７　—４２　１５．５　８．３　３．０　４．５　由表５可知，钢梁在不考虑预应力锚固点附　近局部应力集中现象后，节段模型分析与全桥整　体分析应力水平保持一致；节段模型分析中，混凝　土梁的应力高于全桥整体分析得到的应力，但仍　参考文献　３　］Ｊ４　］Ｊ５　］Ｊ６　］Ｊ７　］Ｊ［１］　林元培，斜拉桥［Ｍ］．北京：人民交通出版社，　１９９４．　（上接第２１页）　荷载的近似值，且由于不同结构的缺陷敏感性不　同，难以把握所得结果的准确程度；普通的荷载扰　动法所施加的缺陷荷载始终作用于结构，影响了　所得荷载一位移曲线的准确性；而本文提出的四步　加一卸载法中的扰动荷载完全卸除，因此得到的分　叉点和载荷分支路径是准确的，说明了该方法的　实用性。　丁美．结构稳定性分析中ＡＮＳＹＳ的应用［Ｊ］．低　温建筑技术，２００３；６：４２—４４．　李元齐，沈祖炎．扰动法在结构分枝失稳分析中的　应用［Ｊ］．力学季刊，２０００；２１（４）：４９７—５０２．　朱慈勉，汪榴，江利仁．计算结构力学［Ｍ］．上　海：上海科技出版社，１９９２．　陈骥．钢结构稳定理论与设计（第二版）［Ｍ］．　北京：科学出版社，２００３．　参考文献　［１］　白蒇，喻海良．通用有限元分析ＡＮＳＹＳ基础教　李国豪．弹性平衡分支的充分辨别准则．１９４３（Ｌｉｅ　Ｋ．Ｈ．（Ｌｉ　Ｇ．Ｈ．）．Ｄａｓ　ｈｉｎｒｅｉｃｈｅｎｄｅ　Ｋｒｉｔｅｒｉｕｍ　ｆａｒ　ｄｅｎ　Ｖｅｒｚｗｅｉｇｕｎｇｓｐｕｎｋｔ　ｄｅｓ　Ｅｌａｓｔｉｓｃｈｅｎ　Ｇｌｅｉｅｈ—　程［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００５．　ｇｅｗｉｃｈｔｓ．Ｄｅｒ　Ｓｔａｈｌｂａｕ，Ｈ．６／７，Ｓ．１７／２ｌ，１９４３）．　［２］　陈世民，何琳，陈卓．ＳＡＰ　２０００结构分析简明　韩强．弹塑性系统的动力屈曲与分又［Ｍ］．北　教程［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００５．　京：科学出版社，２０００．