石湾特大桥矮塔斜拉桥索鞍区局部应力分析

石湾特大桥矮塔索鞍区局部应力分析
罗旗帜1，彭爱勤1,2，陈玉骥1
（1、佛山科学技术学院土木工程与建筑系，广东佛山 528000；
2、广东工业大学土木与交通工程学院，广东广州 510006）
摘要以石湾特大桥为研究对象，采用空间有限元方法计算了矮塔斜拉桥索鞍区的受力情况，将施工阶段最大悬臂状态下的索力按照等效简化荷载及边界条件对其加载，分析了桥塔索鞍区混凝土和管道的受力特点，并对桥塔索鞍区的设计提出了建议。

关键词矮塔斜拉桥索鞍空间有限元
1 引言
矮塔斜拉桥是近些年来在斜拉桥基础上发展起来的一种新型的桥梁结构形式，其塔身上设有转向鞍座,鞍座形式主要有双管和分丝管结构。

目前国内不少学者对矮塔斜拉桥桥塔索鞍区局部应力进行了研究，文献[1,2]对矮塔斜拉桥索鞍区进行了模型试验研究，文献[3-5]采用空间有限元法对单索面矮塔斜拉桥索鞍区局部应力进行了研究，文献[6] 采用空间有限元法对双索面矮塔斜拉桥索鞍区局部应力进行了研究，但是这些斜拉桥的宽度仅限于30m 以下。

本文就单索面、宽为33.5m的矮塔斜拉桥，采用空间有限元法对其索鞍区施工阶段局部应力进行分析。

石湾特大桥是佛山市禅西大道季华路至樵乐路段（325国道改线）工程上跨越东平水道（潭洲水道）的一座桥梁，该桥为矮塔斜拉桥，主桥采用双塔单索面、塔梁固结、墩塔分离、墩顶设置支座的结构形式，主桥跨径布置为由14#墩至17#墩90.5m+150m+90.5m，全长331m，如图1。

主桥梁体采用变截面箱梁形式，箱梁截面采用大悬臂单箱三室形式。

主梁采用抗风性能较好的单箱三室断面箱梁形式。

梁体全宽33.5m，采用单箱3室加撑板悬臂的形式，撑板悬臂部分在箱体两侧各8.5m，箱体宽度为16.5m。

主桥梁体采用悬臂施工法施工，按照施工阶段梁体可分为两个0号块，长度各16.2m，64个现浇块，长度有3m和4.5m两种，靠近中墩的梁段较短为3m，靠近跨中的梁段较长为4.5m。

两个边跨合拢段长度为各1.8m，两个边跨支架现浇段长度各为14.6m。

中跨合拢段为1.8m。

图1 石湾特大桥主桥布置示意图
桥塔为上端小，下端大的梯形，全高28m，桥塔与横梁固结，采用C50混凝土，斜拉索为单索面布置，每个桥塔12对，每对横桥向布置2根OVM250A T-48钢绞线拉索。

斜拉
基金项目：广东省自然科学基金资助项目（9151063101000050）
作者简介：罗旗帜（1955-），男，浙江温州人，佛山科学技术学院教授，博士。

索成扇形布置，张拉端位于梁体内，锚固于中箱室内的斜拉索锚块上，桥塔上设置斜拉索的转向装置，不设锚具，转向装置为48孔分丝的转向管，在转向管两端设置斜拉索固定装置防止斜拉索滑动。

塔上套管外径273mm,厚20mm,斜拉索采用48根钢管阻焊而成，套管内灌有环氧砂浆。

如图2~图3为斜拉索套管和斜拉索装配图。

图2 斜拉索套管截面图3 斜拉索装配示意图石湾特大桥采用的是悬臂施工，中跨合拢前，此处是最大悬臂状态，为施工的最不利状态。

本文采用大型有限元软件Ansys对该桥施工阶段最大桥塔索力时上面三个索鞍区的应力状态进行研究，分析索鞍区混凝土和索道的受力特点，并对桥塔索鞍区的设计提出了建议。

2计算模型
2.1有限元模型
该桥桥塔采用SOLID65单元模拟，弹性模量为 3.45e4MPa，泊松比为0.2,密度为2500kg/m3,其标准抗压强度为32.4 MPa，标准抗拉强度为2.65 MPa。

经过离散单元数为75900个，节点19179个；套管采用SOLID45单元模拟，弹性模量为2.06e4MPa，泊松比为0.3,密度为7698kg/m3,单元数为3600个，节点7440个。

其中套管采用扫
略网格划分，其中套管径向划分为30段，截面均分为20段,如图4；
而桥塔混凝土采用自由网格划分。

全塔模型如图5。

图4管道构造图 5 桥塔构造
2.2荷载及边界条件
本文桥塔底部按直接固结处理，荷载工况采用最不利荷载时的索力，首先用MIDAS/CIVIL软件对全桥进行施工阶段模拟，得出最大悬臂状态时1~3号索的索力，如表1。

表1 最大悬臂状态下各索索力表
由于施工时桥塔斜拉索套管端部同时被锚固住，故可忽略拉索与管壁间的径向摩擦，由
平衡条件将作用于套管壁的径向线均布压力等效为
y
y
F
q
R
，其中y
F
为单根索张力，R为
套管弯曲半径，大小为300cm，然后再将径向均布力采用集中载荷的形式等效到套管的截面下部45度方向节点上去。

3计算结果分析
3.1桥塔混凝土受力分析
桥塔混凝土第一主应力等值线如图6（图中应力单位为MPa，下同）所示，由桥塔混凝土最大主拉应力出现在1号索鞍端部位置，其值为5.558MPa，分布范围小，相对2号与3号索鞍，其最大主拉应力要大。

最大主压应力-1.16 MPa，其值很小。

3.2桥塔各个索鞍受力分析
1号索鞍的应力如图7~图8所示，其竖向最大主拉应力为4.702 MPa，且应力较大值分布在索鞍端部位置（图中MX处），但范围小；顺桥向的最大主拉应力和压应力均在索鞍端部位置，其值都较小，分别为1.284MPa和-3.883MPa。

如图9~图10所示为2号索鞍的应力云图，其竖向和顺桥向的主拉应力和主压应力均较小，最大主拉应力分别为1.606MPa和0.766MPa，最大主压应力分别为13.212MPa和-4.109MPa，均不超过混凝土C50的标准抗拉和抗压强度值。

图11~图12为3号索鞍的应力云图，3号索鞍两个方向的主拉应力均不大于1 MPa,主压应力也不超过其标准抗压强度。

图6 桥塔混凝土第一主应力图7 1号索鞍竖向应力
图8 1号索鞍顺桥向应力 图9 2号索鞍竖向应力
图10 2号索鞍顺桥向应力 图11 3号索鞍竖向应力
图12 3号索鞍顺桥向应力 图13 钢套管von mises 应力 3.3 套管的受力分析
斜拉索钢套管的von mises 应力分布如图13所示，从图中可以看出，套管的最大von mises 应力为65.922 MPa ，发生在2号套管的端部截面低端，最小为0.144MPa ，发生在2号套管的端部截面顶端。

套管的整体应力水平都不高，均满足使用要求。

4结论
斜拉桥索鞍区的设计应尽可能考虑以后方便换索，以及索的养护。

本文针对单索面跨度较大的单箱三室矮塔斜拉桥施工阶段受力，采用有限元软件计算的结果表明，该斜拉桥索鞍区混凝土以及套管的受力均符合要求。

但是，索鞍区主拉应力在局部超过了混凝土C50的标准抗拉强度，故应该在桥塔索鞍区端部采取补强措施，增加角隅钢筋，防止应力集中，混凝土压碎和开裂。

拉索管道的厚度采用20mm可以满足受力的要求。

参考文献：
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[6] 朱军. 矮塔斜拉桥索鞍受力分析[J]. 山西交通科技,2006, (4):44~46
Local Stress analysis of Saddle Structures
in Shiwan Bridge
LUO Qi-zhi1,PENG Ai-qin1,2,CHEN Yu-ji1
(1. Department of Civil Engineering and Architecture, Foshan University, Foshan 528000, China;
2.Faculty of Civil and Transportation Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China) Abstract: Based on the design drawings of Shiwan Bridge, the paper discussed the different stress effect on the saddle of low tower cable-stayed bridges by using the space FEM. By transforming the cable fore of the largest state of the construction state into the simplified equivalent load and boundary conditions, and loading on the model, it analyzed the force characteristics of concrete and pipe of the bridge saddle, and provided suggestions on the design of the bridge saddle.
Keywords: low tower cable-stayed bridge; saddle; finite element。