东南大学本科入学黄康

『壹』 [高速铁路矮塔斜拉桥主梁局部受力行为分析]斜拉桥的主梁有哪些

高速铁路矮塔斜拉桥主梁局部受力行为分析 高速铁路矮塔斜拉桥主梁局部受力行为分析

季伟强

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处，天津 300142)

摘 要：新建商丘至合肥至杭州铁路工程颍上特大桥在主梁斜拉索锚固区采用相比于隔板更为轻巧的横梁结构。针对这种新颖结构，为更好宏液地了解其受力特性、优化构造细节，建立中支点至中跨跨中间的1/4主梁模型。模型考察主梁横梁局部应力，得到增设倒角可降低此处横向拉应力的结论。同时还关注腹板剪力分配，得到在无索区段中腹板承担较大剪力，有索区段相反的结论。最后通过索力作用下桥面板纵向应力分布模式，显示出索力在桥面板的传力路径，为结构局部优蔽此物化、横向分析及结构配筋提供依据。

关键词：铁路桥；矮塔斜拉桥；局部应力分析；剪力分配；索力传力路径；高速铁路

1 概述

矮塔斜拉桥(Low-tower cable-stayed pidge)也称部分斜拉桥(Partially cable-stayed pidge)，凭借其刚度大、施工方便、经济性好的特点在高铁桥梁建设中得到了越来越广泛的应用[1-2]。桥梁的破坏表现为整体破坏和局部破坏[3-4]，常用的整体杆系模型或者“鱼骨”形模型难以准确反映矮塔斜拉桥主梁细部构造(如变截面问题、畸变、横隔板的作用等)传力趋势[5]，针对主要矛盾建立局部实体模型分析是解决这一问题的常见办法[6-8]。本文针对新建商丘至合肥至杭州铁路工程颍上特大桥(94.2+220+94.2) m双线无砟预应力混凝土矮塔斜拉桥主梁，考虑截面倒角及进人洞等细部构造，建立了三维几何模型，并通过全桥杆系模型提取边界条件，经对比验证后施加。对主梁索下横梁受力情况、腹板剪力分配和竖向变形以及索力在主梁传力路径进行了分析。

2 工程概况

本设计为新建商丘至合肥至杭州铁路工程，用于颍上县城郊区跨越颖河，跨越处河道弯曲，宽约370 m，其中主槽宽度约220 m。主桥为双线无砟轨道(94.2+220+94.2) m预应力混凝土矮塔斜拉桥，采用纵向“A”型桥塔，每个塔上布置2排支座，纵向间距11.7 m。塔全高66.5 m，桥面以上35.0 m，桥面以上塔高与主跨比为1/6.29。每扒衫个桥塔对称设8对250AT-55环氧喷涂钢绞线斜拉索，塔上索距1.5 m，梁上索距8.0 m，中间无索区长46.2 m，斜拉索在梁上张拉，塔上采用分丝管鞍座，主附荷载作用下，索力最大值为7 200 kN。

主梁采用直腹板单箱双室混凝土箱梁，梁高6.5～11.5 m，中支点梁高与主跨比为1/19.13，跨中梁高与中支点梁高比为1/1.77。边支点等高段长7 m，中支点等高段长16 m，跨中等高段长44 m，变高段长80 m，按照二次抛物线变化。箱梁顶宽14.1 m，底宽11.6 m，为方便梁体自由变形，中支点14.114 m范围切除悬臂。桥梁立面及断面分别如图1、图2所示。

本桥在主梁斜拉索锚固采用了相比于隔板更为轻巧的横梁结构，如图3所示，隔板底面与斜拉索锚块底面平齐，距顶板1.9 m，厚0.8 m。

图1 桥梁立面(单位：cm)

图2 桥梁断面(单位：cm)

图3 拉索横梁断面(单位：cm)

3 模型简介

3.1 局部模型

实体模型计算采用了通用有限元软件Ansys 12.0，并借助了Auto Cad 2013强大的几何建模能力辅助建模。Auto Cad 2013建立的几何模型和Ansys 12.0处理后的有限元模型如图4、图5所示。

图4 几何模型

图5 有限元模型

仅建立某一节段的模型很难模拟节段两侧主梁对其变形的约束，因此本文模型模拟了中支点截面至中跨跨中截面间的1/4主梁梁段。建模范围如图1所示，并对重点考察部位网格进行局部细化。主梁采用实体单元SOLID45，预应力筋采用LINK8单元[9]。细化区域网格尺寸为0.3 m，其余部位网格尺寸为0.6 m。细化区域包括B1、B5、B8斜拉索下梁段(见图1)，中跨跨中部分无索区梁段，近主塔处部分无索区梁段。梁段模型如图4、图5所示(模型坐标系，X：纵桥向，Y：横桥向，Z：竖向)。

3.2 荷载

模型采用面荷载的方式按照实际作用位置施加了二期恒载和活载，模型考虑自重及横向预应力束的作用，有效预应力根据本桥横向框架模型中横向预应力筋的永存应力施加。斜拉索索力根据全桥杆系模型(本文采用MDIAS模型)，在自重、静活载、二期及预加索力作用下的斜拉索力值，索力等效为面力施加于锚垫板上[10]。

3.3 边界约束(表1)

表1 边界约束

位置XYZRXRYRZ桥塔处支点截面011101中跨跨中截面100111

说明：X，Y，Z表示3个方向平动自由度；RX，RY，RZ表示3个方向转动自由度，1表示有约束；0表示不约束。

在节段模型的截断处，还存在着两侧梁段对节段模型的作用，其作用除了通过边界约束体现外，还包含边界内力，具体的边界内力数值通过MIDAS全桥模型读取。

3.4 边界条件验证

为了验证边界条件的正确性，利用MIDAS模型建立与实体模型相同梁段和边界条件的节段模型[11]。节段模型与整体模型部分内力结果对比如图6、图7所示，坐标系方向同Ansys模型。可以看出，节段模型与整体模型内力MY与FZ相差很小，可认为节段模型所采用的边界条件与边界力无误。

图6 节段模型与整体模型My对比

图7 节段模型与整体模型Fz对比

主梁结构的轻薄化是矮塔斜拉桥的发展趋势[12]，因此本桥在主梁斜拉索锚固采用了相比于隔板更为轻巧的横梁结构，但横梁结构的整体刚度要弱于隔板，因此需要进行实体模型局部应力分析。横梁和腹板连接处按照有、无倒角分为两个方案，有倒角方案倒角尺寸为30 cm(顺桥向)×60 cm(横桥向)×40 cm(竖向)，局部应力计算结果如图8～图11所示(模型拉应力为正，压应力为负)。

斜拉索处横梁与中腹板连接处，在远离主塔的一侧出现较大的横向拉应力。这是由于横梁横向刚度要小于隔板结构，在索力作用下，横梁出现较大拉应力。

图8 B8斜拉索处横梁横向应力(无倒角)

图9 B5斜拉索处横梁横向应力(无倒角)

图10 B8斜拉索处横梁横向应力(有倒角)

图11 B5斜拉索处横梁横向应力(有倒角)

两个方案横梁横向应力峰值见表2，斜拉索呈现出“弓”与“弦”的状态，造成横梁远离主塔侧出现拉应力。无倒角方案横向拉应力值略大于C55混凝土轴心抗拉极限强度[13]，采用有倒角方案后，横梁横向拉应力值有所改善，峰值降为2.95 MPa，应力峰值并未超限，且应力集中区域较小，其他区域应力水平较低，可认为结构安全。对比表2中的计算结果可以看出倒角对于主梁横梁在索力作用下出现的横向拉应力有一定的改善。

表2 横梁横向拉应力

方案B8斜拉索处横梁B5斜拉索处横梁无倒角/MPa3.363.34有倒角/MPa2.382.95优化比例/%2910

4 腹板剪应力分配比及竖向位移

统计重点关注截面节点竖向剪应力(Sxz)和竖向位移(Uz)的平均值列于表3，由于3片腹板的截面积相同，因此平均应力的比值就代表了3片腹板承担剪应力的比值。

由表3可以看出，在跨中和近主塔无索区段，中腹板承担了较大的剪应力，为边腹板剪应力的1.15～1.24倍。在有索区段，B1斜拉索区段由于受到近主塔无索区梁段的影响，中腹板还是承担了较大的剪应力，中腹板剪应力为边腹板的1.06～1.19倍。在B5、B8斜拉索区段，由于斜拉索的作用，边腹板承担了较大的剪应力，边腹板剪应力为中腹板的1.08～1.17倍，有横梁的区域剪应力分配较为均匀。

表3 剪应力分配比

位置腹板剪应力/MPa剪应力分配比腹板竖向位移/mm边腹板中腹板中腹板/边腹板边腹板/中腹板边腹板中腹板差值B08斜拉索B05斜拉索B01斜拉索无横梁区2.171.930.891.12262.9263.10.2有横梁区2.071.910.931.08254.5254.80.3无横梁区2.742.340.861.17180.2180.70.5有横梁区2.622.320.881.13168.41690.6无横梁区1.861.981.060.9464.765.20.5有横梁区1.621.931.190.8455.956.30.4跨中梁段1.041.201.150.87284.92850.1近主塔梁段1.281.591.240.813.033.050.02

5 索力作用下纵向应力传递分析

本节选取B1、B5斜拉索锚块附近主梁顶板，研究索力作用下的纵桥向应力扩散情况，其中B5应力云图代表主梁有索区的纵桥向应力传递模式，B1应力云图代表主梁有索区和近主塔无索区纵桥向应力传递模式，由于模型仅考虑索力作用下纵向应力传递，没有考虑纵向预应力束的作用，所以在B1斜拉索锚块附近顶底板均呈现受拉状态。

由图12、图13可知，索力作用下主梁纵向应力的传力路径，在斜拉索锚固截面，索力纵桥向分力通过锚块传递给桥面板，桥面板两侧承担较大的纵向压应力。索力纵向分力经过一段梁段的传递后，呈现桥面板中部承担较大的纵向压应力的状态。由图14、图15可知，索力纵向分力在约0.5倍顶板宽度传递后，最终在无索区趋向于全桥面近似均匀分布[14，15]。

图12 B5斜拉索处顶板纵向应力(-1～-2 MPa)

图13 B5斜拉索处顶板纵向应力(0～-2 MPa)

图14 B1斜拉索处顶板纵向应力(5～6 MPa)

图15 B1斜拉索处顶板纵向应力(6～8 MPa)

由以上分析可以看出，由于正应力分布不均，主梁同一截面处顶板最大正应力和平均正应力的差值不超过2 MPa。纵向计算结果表明，最大正应力为17.5 MPa，出现在中墩附近顶板，考虑到正应力分布不均匀性后，仍满足规范要求，可认为结构安全。

6 结论

本文结合新建商丘至合肥至杭州铁路工程颍上特大桥主梁斜拉索锚固采用了相比于隔板更为轻巧的横梁结构，进行了局部应力分析计算。重点考察了主梁横梁局部应力、腹板剪力分配以及索力在主梁顶板传力路径，计算结果得出如下结论。

(1)主梁横梁与腹板连接处，在远离主塔一侧易出现较大横向拉应力，增设倒角可在一定程度上降低横向拉应力。

(2)跨中无索区段和近主塔区段，中腹板承担较大的竖向剪应力。其余有索区段，在斜拉索的作用下，边腹板承担了较大的竖向剪应力。

(3)在斜拉索锚固截面，桥面板两侧承担较大纵向应力，随着索力沿桥面传递，截面中部范围承担较大的纵向应力。在无索区，纵向应力趋于均匀分布。

参考文献：

[1] 张雷.三塔四跨铁路矮塔斜拉桥设计[C]∥2010年高速铁路特殊结构桥梁设计技术研讨会论文集，2010.

[2] 张海，吴大宏.津保铁路矮塔斜拉桥设计关键技术研究[J].铁道标准设计，2013，57(11)：55-58.

[3] 刘士林，梁智涛，侯金龙，等.斜拉桥[M].北京：人民交通出版社，2002.

[4] 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试验[J].东南大学学报(自然科学版)，2007，37(2)：287-290.

[5] 邹德义.无锡清明路清宁矮塔斜拉桥拉索区横梁设计[J].城市道桥与防洪，2002 (5)：42-43.

[6] 韩清海，吕福刚.矮塔斜拉桥箱型主梁腹板剪力分布研究[J].山西建筑，2012，38(20)：188-190.

[7] 姚君芳，盛兴旺，罗劲松.矮塔斜拉桥索力在箱形主梁中分布规律研究[J].中南公路工程，2006，31(2)：158-160.

[8] 郝翠，王建国，曹新磊.拱塔斜拉桥预应力索塔锚固区节段应力分析[J].世界桥梁，2010(4):43-46.

[9] 吴大宏，王立中，张帅，等.津保矮塔斜拉桥空间分研究[J] .铁道工程学报，2013(4):56-57.

[10]邓江涛.高速铁路矮塔斜拉桥墩塔梁固结段局部应力分析与验证[J].铁道标准设计，2016，60(6):43-47.

[11]陈从春，周海智，肖汝成.矮塔斜拉桥研究的新进展[J].世界桥梁，2006(1)：70-73.

[12]中华人民共和国铁道部.TB 10002.3—2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[13]卢元刚，杨冬春.部分斜拉桥拉索区横梁计算方法讨论[J] .工程设计，2012，26(5)：627-629.

[14]谢勇彰，钟敏雄，高飞.矮塔斜拉桥索力在箱型主梁中分布规律研究[J].中南公路工程，2006，31(2)：158-160.

[15]曾勇，黄康，王茂强，等.[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2012，36(4)：683-686.

Local Analysis of the Main Girder of High-Speed Railway Low-pylon Cable-stayed Bridge

JI Wei-qiang

(Department of Bridge Engineering Design and Research， The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300142， China)

Abstract：YinShang low-pylon cable-stayed pidge of Shangqiu-Hefei-Hangzhou railway Project uses the crossbeam instead of the diaphragm to make the main beam lighter. Aiming at this new structure， a 1/4 main beam solid finite element model between medium support and middle stride is built to better understand the mechanical characteristics and optimize structure details. The finite element model is employed to investigate the local stress of the crossbeam and the conclusion is reached that the chamfer can rece transverse tension stress. The shearing force of the web plate is also addressed with the finding that the shearing force of the medium web in the section without cable is larger and the opposite is true in the section with cable. Finally， the path of cable force transferred on the deck is identified by the distribution of longitudinal stress under cable forces， which may provide reference for local structure optimization and the horizontal analysis as well as the design of reinforcement．

Key words：Railway pidge; Low-tower cable-stayed pidge; Local stress analysis; Shear distribution; Path of cable force transfer; High speed railway

收稿日期：2016-06-27；

修回日期：2016-07-18

基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划重点课题(2016G002-I)

作者简介：季伟强(1990—)，男，助理工程师。2015年毕业于同济大学

桥梁工程专业，工学硕士，E-mail:[email protected]。

文章编号：1004-2954(2017)02-0063-05

中图分类号：U448.27； U441+.5

文献标识码：A

DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.02.015