混合梁斜拉桥锚跨异型混凝土箱梁空间受力仿真分析.pdf

第 4 1 卷第 5期 2 0 1 5年 1 0月 四川建 筑科 学研 究 S i e h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 27 混合梁斜拉桥锚跨异型混凝土箱梁空问 受力仿真分析 冯睿为， 余取， 田 超 ， 滕 凌 ( 西南交 通大学土木工程学 院 ， 四川 成都6 1 0 0 3 1 ) 摘 要： 大跨度混合梁斜拉桥锚跨主梁具有受力形式复杂的特点， 在实际应用中很难把握其实际受力情况。以万 州长江公路三桥锚跨异型混凝土箱梁为工程背景， 通过有限元仿真计算分析手段， 分别对锚跨混凝土箱梁在主梁 截面弯矩最大 、 弯矩最小 、 轴力最大、 轴力最小工况下的空问应力分布、 索梁锚固区受力情况 以及索梁锚固区横截 面剪力滞效应进行分析。研究结果表明： 各工况下， 锚跨混凝土箱梁基本上处于受压状态， 少数索梁锚固区对应的 底板位置和顶板位置存在拉应力作用， 最大拉应力与最大压应力均满足规范要求。 关键词 ： 混合梁斜拉桥 ； 混凝土箱梁 ； 锚跨； 索梁锚 固区； 剪力滞 ； 有限元； 仿真计算 ； 受力分析 中图分类号 ： U 4 4 1 ． 5 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 8—1 9 3 3 ( 2 0 1 5 ) 0 5— 0 2 7— 0 5 Th e s p a t i a l s t r e s s s i m u l a t i o n a n a l y s i s f o r s p e c i a l - s h a pe d c o n c r e t e b o x g i r d e r i n t h e a n c ho r s p a n o f h y b r i d g i r d e r c a b l e - s t a y e d b r i dg e F E NG R u i w e i ， Y U Q u ， T I A N C h a o ， T E N G L i n g ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a ) Abs t r ac t： The a nc h o r s pa n o f l o n g — s pa n hy br i d g i r d e r c a b l e — s t a ye d b r i dg e h a s t h e c ha r a c t e ris t i c o f c o mpl e x i t y o f s t r e s s a n d i t i s d i ffi c u l t t o g r a s p i t s a c t u a l f o r c e c o n d i t i o n i n t h e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ．T h e s p e c i a l — s h a p e d c o n c r e t e b o x g i r d e r i n t h e a n c h o r s p a n o f t h e T h i r d W a n z h o u Ya n g t z e R i v e r Hi g h wa y B ri d g e r e g a r d e d a s t h e e n g i n e e rin g b a c k g r o u n d， fi n i t e e l e me n t s i mu l a t i o n i s u s e d t o a n a l y z e t h e s p a t i a l d i s t r i b ut i o n o f s t r e s s， f o r c e c o n di t i o n a n d s h e a r l a g e f f e c t i n t h e c r o s s s e c t i on o f c a b l e — g i r d e r a n c h o r a g e z o ne i n t h e co nd i t i o ns o f ma x i mu m mo me n t ， mi n i mu m mo me n t ， ma x i mu m a x i a l f o r c e a n d mi n i mu m a x i a l f o r c e i n t h e c r o s s s e c t i o n o f ma i n g i r d e r ． Th e r e s u h s s h o w t ha t t h e c o n c r e t e b o x g i r de r i n t he a n c ho r s p an i s i n p r e s s ur e d s t a t e ba s i c a l l y， f e w po s i t i o ns i n b o t t o m p l a t e a n d t o p pl a t e o f t h e c a bl e — g i r d e r a n c h o r a g e z o n e a r e u n d e r t e n s i l e s t r e s s ， a n d t h e ma x i mu m t e n s i l e s t r e s s a n d c o mp r e s s i v e s t r e s s a l l me e t s t a n d a r d r e q u i r e me n t s i n v a r i o u s o p e r a t i o n c o n di t i o ns ． Ke y wo r d s ： h y b 6 d g i r d e r c a b l e — s t a y e d b r i d g e； c o n c r e t e b o x g i r d e r ； a n c h o r s p a n； c a b l e — g i r d e r a n c h o r a g e z o n e ； s h e a r l a g； fi n i t e e l e me n t ； s i mu l a t i on； f o r c e a n a l ys i s 0 引 言 混凝 土 箱 梁 具 有 承 载 能 力 大 、 刚度 大 等 特 点 l J ， 是桥梁设计过程 中采用 的比较普遍 的一种桥 梁形式 ， 对于混凝土箱梁的受力特性和结构行为 ， 很 多学者 已经做 了大量的研究 。但 当混凝土箱梁 应用于大跨度斜拉桥锚跨主梁时 ， 由于其 自重大 、 宽 度大 ， 以及斜拉桥受力形式相对复杂等因素， 锚跨存 在应力集 中、 剪力滞 、 恒载活载剪力分配 、 应力扩散 、 预应力配置盲区等现实问题 ， 而一般的设 计理论不 收稿 日期 ： 2 0 1 5 - 0 7 ． 1 5 作者简介 ： 冯睿为( 1 9 9 0一) ， 男 ， 辽宁阜 薪人 ， 硕士研 究生 ， 主要从 事 大跨度预应力混凝土桥结构行为研究 。 E —ma i l ： 1 0 4 2 9 8 2 9 2 0 @ q q ． c o rn 能准确把握锚跨 区混凝土主梁的实际受力情况 ， 必 须针对其开展空问仿真计算 。本文以万州长江公路 三桥为工程背景 ， 对其锚跨异型混凝 土箱梁进行空 问受力仿真计算 ， 对于分析混合梁斜拉桥锚跨位置 实际受力情况具有十分重要的工程意义。 1 工程概 况 万州长江公路三桥跨江主桥为主跨双塔混合梁 斜拉桥 ， 桥跨布置为( 4 x 5 7 ． 5+7 3 0+ 45 7 ． 5 ) m， 主跨采用钢箱梁 ， 锚跨则采用单箱多室异型混凝土 箱梁 ， 在距离主塔中心线 2 ． 5 m处设有两个钢混结 合段。受建设条件 的限制 ， 主桥锚跨混凝土梁采用 中央索面布置形式 ， 上下游索面间梁端间距 1 ． 0 m． 塔端间距 7 ． 5 m； 主跨采用双索面布置形式 ， 上下游 3 0 四川建筑科学研究 第 4 I卷 底板位置压应力水平相对较低 ， 齿块两侧腹板对应 的顶板位置 附近压 应力水 平较 高 ， 最 大压应 力 为 一 2 2 ． 5 0 MP a 。锚跨混凝土箱梁锚固区拉应力 和压 应力强度基本满足混凝土的强度要求 。 3 ． 3 各工况下锚跨混凝土箱梁剪力滞效应分析 混凝土箱梁在荷载作用下 ， 剪力滞效应的存在 ， 使得翼缘板的剪切变形不均匀 ， 造成弯 曲正应力沿 梁宽方向不均匀分布 j ， 所 以准确分析锚跨 混凝 土 箱梁剪力滞效应 ， 对于准确把握锚跨 区主梁的实际 受力情况就显得尤为重要 ⋯。 通过对个各工况 的计算分析和 比较 ， 选取锚跨 混凝土箱梁靠塔侧主梁梁端截面受弯矩荷载最大工 况为最不利工况 ， 对斜拉索锚 固处横截面剪力滞效 应进行分析。 由图7可以看出 ： 在 自重荷载 、 三 向预应力和锚 固位置处拉索索力作用下 ， 各锚 固横截面在 两内腹 3 7． 4 7 ， 2 8 3 8 ． 1 9 3 一 l 0 21 ． 1 1 3 ．32 ． 92 — 2 3． 8 4 一 l 4 76 — 5 ． 6 7 3 ． 41 ( a )锚跨箱梁索粱锚固处横截面横桥向应力云图 板中问锚 固位置处压应力最小 ， 应 力在 一3～一5 MP a左右， 向两侧 中腹板方 向 应力逐渐增加 ， 住r I ， 腹板位置与顶板相交位置有所 F降 ， 超过q 1 腹板 置压应力继续增加 ， 在 中腹板干 外腹板 的【 1 I 问 达到最大 ， 最 大压 应力 为 一1 6～ 一1 8 MP a芹 ， N S C 2 2斜拉索锚固处横截面横桥 最大 义 、 f 其他横截 面要小 ， 在 一1 4 MP a左右 ， 继 而 外腹 板 与顶板相交 的位 置处 的压应力 出现逐 渐减小 的趋 势 ， 压应力减小到 ～3一一 4 M P a左右 ， 从外腹板 顶板相交 的位置向两侧翼缘方向压应力义 现增加 的趋势 ， 最大压应力达到 一l 4～一1 6 MP a 左 ，、⋯ 横截面应力变化规律 叮以看 出， 在I肛 j 内腹板锚I 他 置及两外腹板与顶 板相交位置处所受压应 力最小 ， 两侧 内外腹板 中间位置以及两侧翼缘板边缘 最 大 。 横 向1 ,L i q ／ m ( b )NS C2 0 ~ 硎处 横戡 横 桥 应 力 横向位置／m 横1∞位 ／ m ( c )NS C 2 1 锚固处横截面横桥向应力云图 ( d )N S C 2 2 锚嘲处横截 横桥 Ih J 力z ；- 图7 锚跨混凝土箱梁部分索梁锚固区横截面横桥向应力云图 Fi g． 7 The l at e r a l s t r e s s map f o r c r o s s s e c t i o ns o f c o nc r e t e bo x g i r de r i n t he c a bl e— g i r de r a nc ho r ag e z on e 4 结 语 通过对混合梁斜拉桥锚跨异型混凝土箱梁仿真 计算结果的对比分析得出以下结论 ： 1 ) 锚跨混凝 土箱梁 在靠塔侧主梁梁端 截面各 工况下 ， 由主拉应力和主压应力云图可 以看出 ， 锚跨 混凝土箱梁基本上 均处于受压状态。在各工况下 ， 少数斜拉索锚固位置对应的底板位置和顶板位置存 在拉应力作用 ， 最大拉应力与最大压应力均满足规 范要求 ， 因此 ， 锚跨混凝土箱梁拉应力和 心力 发 均满足混凝土的强度要求 2 ) 在各个工况下 ， 由各 主拉 力和 主 心 力z 图可以看出 ， 锚跨7 昆 凝土箱粱锚 固区基本 I 均处 h丁 受压状态 ， 在少数斜拉索锚 位置处的齿块 以 及对应 的腹板和底板处存在一 定的拉应 力， 丁 以逝 当优化这些位置处 的竖 向预应力来降低 应力 水 平 ， 锚跨混凝土箱 梁锚 固区手 、 =『= 应力和压 应／ ， J 度 本满足混凝土的强度要求 。 2 0 1 5 N o ． 5 冯睿为， 等 ： 混合梁斜拉桥锚跨异型混凝土箱梁空问受力仿真分析 3 ) 通过对锚跨混凝土箱梁的受力分析 ， 建议考 虑增加部分过渡墩处对应顶 、 底板上的纵向预应力 ； 在混凝土箱梁底板位置处增加一定的横 向预应力 ， 以提高混凝土的压应力水平 ； 建议在锚固位 置处适 当增加竖 向预应力 ， 同时建议在横截面的两侧外腹 板位置增加适当的竖 向预应力 ， 减小两侧外腹板所 对应位置的顶 、 底出现的拉应力。 参 考 文 献 ： [ 2 ] [ 3 ] 邱顶宏 ， 张海礁 ， 陈辉． 珠海 十字 门国际展 览 中心 大跨度 开 闭 口型钢 一混凝土组合箱粱施 工技术 [ J ] ． 施 工技术 ， 2 0 1 4， 4 3 ( 1 4 ) ： 4 7 - 4 9 ． 苏庆 田， 刘玉擎 ， 曾明根． 钢混 组合箱 梁桥受 力 的有限元 仿真 分析 【 J ] ． 桥梁建设 ， 2 0 0 6 ( 5 ) ： 2 8 - 3 1 ． 庞凌志 3 0 m预应力简支箱梁受弯极限承载力仿真分析[ J ] ． 城市道桥与防洪 ， 2 0 1 5( 2 ) ： 4 1 43 ． [ 4 ] 胡贵琼， 郑舟军． 荆岳长江公路大桥钢锚梁索塔锚固区单节段 模型有限元分析[ J ] ． 世界桥梁， 2 0 1 0 ( 2 ) ： 4 0 _ 4 4 ． 【 5 ] 马志贵． 大跨度P c 矮塔斜拉桥箱梁应力及索梁锚固局部应力 分析[ D] ． 兰州 ： 兰州交通大学 ， 2 0 1 4 ． [ 6 ] 曹国辉 ， 方志． 钢筋混凝土连续宽箱梁受力性能试 验[ J ] ． 中 国公路学报 ， 2 0 0 6 ， 1 9 ( 5 ) ： 4 6 ． 5 2 ． [ 7 ] 周旺保 ， 蒋丽忠 ， 李 书进 ． 钢一 混凝土组合 箱梁弯矩 一曲率恢复 力模型研究[ J ] ． 建筑结构学报， 2 0 1 5 ， 3 6 ( 1 ) ： 7 8 8 4 ． [ 8 ] 张岗 ， 贺拴海 ， 周 勇军 ， 等 ． P c箱 梁墩顶块 水 化热温度 冲击 模型及空间仿真[ J ] ． 辽宁工程技术大学 ： 自然科学版， 2 0 1 0 ， 2 9( 1 ) ： 8 7 - 9 0 ． [ 9 ] 项 海 帆． 高 等桥 梁 结构 理 论 [ M] ． 北 京 ： 人 民交 通 出版 社 ， 2 0 01： 1 4— 1 5． [ 1 O ]蔺鹏臻， 刘凤奎， 冀伟 ， 等． 变分原理分析混凝土箱梁的剪力 滞效应 [ J ] ． 铁道学报 ， 2 0 1 3 ， 3 5 ( 2 ) ： 9 3 - 9 8 ． ( 上接 第 7页 ) 一 3 8 5 ． 9( k N 1T I ) ， 与直桥相差 2 1 3 ． 4 ( k N m) ， 差 值较大 ， 不能忽略； 跨 中附近为 一4 3 1 ． 8 ( k N 1T I ) ， 与 直桥 相差 2 1 ． 6 ( k N m) 。对于半径 8 0 0 m的弯桥 ， 起点处梁端扭 矩为 一2 2 5 ． 6( k N m) ， 与直桥 相差 5 3 ． 1 ( k N m) 。跨 中附近扭矩 为 一4 5 6 ． 6 ( k N i n ) ， 与直桥相差 2 ． 2 ( k N i n ) 。对 比分析表 明， 可以认为 在 自 重和移动荷载情况下， 对 2 0 n l 的等长度弯桥， 在半径 8 0 0 n l 时其扭矩可以按照直桥进行分析。 3 结 论 对 2 0 I T I 的箱梁弯桥 ， 在半径大 于 2 0 0 1 1 3 时 ， 其 剪力和弯矩可以按照 2 0 m的直桥进行分析计算 ； 在 半径大于 8 0 0 m 时， 其剪力 、 弯矩 和扭 矩可 以按 照 2 0 m的直桥进行分析计算。其他长度的弯桥， 当采 取弯桥直做时， 可以参考其长度与半径的关系。 由于弯桥的半径 、 圆心角、 弯桥的长度 、 梁 的宽 度以及采用的横隔梁的个数以及截面形式等都会对 弯桥的受力有影响。本文只是从半径与弯桥的长度 这个角度出发， 研究在什么情况下 ， 弯桥可以按直桥 进行分析计算 。因此这只是个大致的范 围， 有待于 进一步的研究。 参 考 文 献 ： 刘钊． 桥 梁概念设计 与分析理论 [ M] ． 北 京 ： 人 民交通 出版 社 ， 2 0 1 0 ． 项海帆． 高等桥梁理论[ M] ． 北京： 人民交通出版社， 2 0 1 1 ． 杨昀 ， 周列茅 ， 周勇 军． 弯桥与 高墩 [ M] ． 北京 ： 人 民交通 出 版社 ， 2 0 1 1 ． 杨飞 ， 杨昀 ， 董水英 ， 等 ． 弯梁桥直弯分析 界限探论 [ J ] ． 桥隧工程 ， 2 0 1 1 ( 7 7 ) ： 1 5 2 - 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