高速铁路独塔转体施工斜拉桥塔梁墩固结区应力分布研究

高速铁路独塔转体施工斜拉桥塔梁墩固结区应力分布研究

当上海昆高铁与现有武广高铁相连时，为了尽量减少建筑高度和线路的纵梁，并影响施工过程对武广高铁正常运行的影响，采用了混凝土塔梁墩塔的加固结构体系。本桥塔梁墩固结区结构、受力均相当复杂,应力分布集中现象明显,有必要对塔梁墩固结区应力分布规律及传递途径作深入研究,用于指导结构设计,以确保其结构的合理性与安全性。1双索面塔梁墩固结结构体系文中背景工程是新建沪昆高铁上某联络线特大桥,跨径为(32+80+112)m的单线铁路槽型断面独塔斜拉桥,采用不对称独塔双索面塔梁墩固结结构体系,主梁采用预应力混凝土槽型梁,为克服小跨侧边支座负反力,在80m跨侧增加一孔32m辅助跨,主塔为钢筋混凝土矩形空心截面,槽型梁边箱与桥塔融为一体,边墩及辅助墩设纵向活动支座,横向设限位挡块。该大桥跨越武广高铁,为了最大限度地缩短跨线作业时间,采用转体施工方案,利用天窗时间转体到位。桥梁总体布置如图1所示。2固结结构与数值模拟模型2.1结构体系设计梁部采用预应力混凝土槽型梁结构形式,跨武广高铁大主跨梁高3.5m,小主跨及边辅助墩梁高3.7m,塔梁墩固结处局部以1/15的坡率加高到4m,梁顶齐平。槽型梁为边箱式的槽型截面,箱高为梁高,箱宽为2.1m,两箱中心距8.7m,等于斜拉索横向间距。主梁横截面如图2所示。为减小转体质量,须尽量压缩结构尺寸,塔梁墩固结构造上没有按照一般的做法将主梁夹在桥塔内侧,而是以满足槽型梁内的铁路限界为前提尽量内收塔柱的张开度,将槽型梁的两边箱插入到塔柱中形成固结,并在梁下设有1道横梁以构成桥塔横向框架体系。固结段主梁2肢2洞,上塔柱2肢2洞,下塔柱4肢4洞,上塔柱孔洞从槽型梁的边箱顶板穿过,下塔柱孔洞从边箱底板穿过,均与槽型梁边箱孔洞交汇,总共8肢8洞,构造复杂。固结段构造如图3所示。2.2局部分析模型采用基于圣维南原理的子模型方法,整体模型为局部模型提供边界条件。利用Midas/Civil建立整体模型对大桥进行受力分析;截取固结段利用Ansys建立局部模型,局部模型的内力和位移边界条件从整体模型的计算结果中提取;进行塔梁墩固结段局部应力分析。为了避免边界条件对固结区受力的影响,主梁、塔柱、桥墩的截取面离固结区的距离应足够长。局部分析模型横桥向计入桥梁全宽,主梁左右两端截取长度均大于2倍梁高,模型纵桥向合计长21.10m,竖桥向合计长18.64m。选用20个节点的solid95实体单元进行模拟,采用自由网格划分,共离散为135188个单元,215805个节点,网格划分后的有限元模型如图4所示。2.3边境条件2.3.1预应力锚索拉拔力的外荷载作用局部分析模型采用等效荷载法来模拟预应力。固结段共有B1(底板束),F1~F4(腹板束)和T1~T5(顶板束)10类钢束通过。其中:T4和T5右端锚固在模型内,左端在模型边界处被截断,其余钢束两端均在模型边界处被截断。被截断的预应力钢束,预应力效应已经包含在从整理模型中所提取的边界内力中,而锚固在模型内的预应力钢束,则需要等效成外荷载的形式作用在模型上。预应力钢束与混凝土之间产生的摩擦力当作外荷载加至模型上,才能使得力的平衡条件得到满足。预应力等效示意如图5所示。其中:N1为左端被截断钢束等效集中力,N2包括右端被截断钢束等效集中力和T4和T5钢束锚固集中力水平分量之和,N3为T4和T5钢束锚固集中力竖直分量之和,f为预应力钢束和混凝土之间产生的摩擦力。2.3.2边界条件说明局部模型有8个切割面,施加在这8个面的位移和荷载称为边界条件。边界条件选择是否合适,直接影响到固结区的应力分析结果。经过试算,分别在主梁左端、主梁右端切面处和上端塔柱两个切面处施加内力边界条件,在下端塔柱4个切面处施加固定约束,以消除刚体位移,能够较准确地模拟固结段的边界条件。为了使荷载施加方便,在各边界截面的质心处均建立主节点,截面上其余节点与主节点之间形成刚域,边界条件均施加在主节点上。实际的分析计算过程中,考虑了多种不同的荷载工况,本文仅就一种较不利的内力组合进行分析,探讨固结段的应力分布及传递规律。从Midas/Civil中提取的边界内力符号规定:轴力拉为正,剪力逆时针方向为正,弯矩使单元下翼缘受拉为正;Ansys中内力符号和坐标轴一致。表1中给出的是通过转换之后Ansys局部模型中内力边界条件(包含预应力效应)。2.3.3计算模型的验证为了保证计算结果的可靠性,对局部模型的内力进行校核。取固结区内的3个控制截面,截面1中心向左2.60m,截面2中心向左1.25m,截面3为固结区中心截面,对截面上的应力进行积分运算,得到截面上的内力,与整体模型提取的截面内力相比较,相对误差均在10%以内,这表明局部分析模型的计算结果是可靠的。内力校核结果如表2所示。3计算结果和分析3.1塔柱内和固结区应力分布由表3和图6可知:塔梁墩固结区应力除局部小范围内超限外,其他绝大部分均能够满足规范要求。固结区主拉应力、主压应力分布情况如图6所示。由图6(a)可知:固结区主拉应力整体较小,分布较均匀,但固结区孔洞附近、槽型梁底上下缘及塔柱外边缘拉应力较大。由图6(b)可知:固结区主压应力整体水平较低,分布较均匀,但主梁与塔柱相交处压应力较大。固结区应力计算结果如表3所示。应力符号规定:拉应力为正,压应力为负。3.2固结区内部主梁桥-桥塔结合接触点分析塔梁墩固结区截面突变处,应力集中现象明显,由于这些应力集中区域的应力超出规范容许值,故有必要了解这些应力最大点位置附近的应力分布情况,从而明确其影响范围,并找出它们的传递规律。压应力最大值出现在固结段左端下缘塔柱与梁体在桥面相交处,如图7中A点所示;拉应力最大值出现在固结区内部主梁顺桥向孔洞和桥塔孔洞交汇处,如图7中B点所示。在A点分别沿顺桥向和竖桥向截取一定长度,竖向正应力和主压应力分布如图8所示。A点顺桥向坐标为0.39,竖桥向坐标为0。从图8可知:在A点出现最大压应力后,压应力沿着顺桥向和竖桥向方向均迅速衰减,降低到较低的应力水品之后趋于稳定,A点附近区域的应力水平处于5~13MPa之间,远小于A点应力,说明A点出现最大应力为局部应力集中现象。在B点分别沿顺桥向和竖桥向截取一定长度,横向正应力和主拉应力分布如图9所示。B点坐标为0。从图9可知:在B点出现最大拉应力后,沿顺桥向方向,应力逐渐减小,经过一段距离拉应力稳定在3.50MPa左右;沿竖桥向方向,应力逐渐减小,经过一段距离拉应力降低到1MPa左右。B点出现最大拉应力仅为局部现象,但相对于最大压应力的衰减速度而言,最大拉应力附近区域应力降低速率相对缓慢,且在其周围局部范围内存在一定水平的拉应力。3.3正应力和主应力选取固结区内某一主梁C截面和下端塔柱D截面(均在塔梁相交位置),分析截面上应力沿指定路径1和路径2的分布特征。C和D截面如图10所示。C截面应力如图11所示。从图11可知:C截面应力主要分布在-10~0MPa之间,主压应力、顺桥向正应力明显大于竖桥向、横桥向正应力及主拉应力。这主要是由于主梁受到很大的轴力引起;沿截面高度方向,正应力和主应力均在截面顶端达到最大值,分布无明显规律性;沿截面宽度方向,应力呈现两端较大中间较小的分布状态。从图12可知:D截面应力大小主要分布在-4~1MPa之间,主压应力、竖桥向正应力明显大于顺桥向、横桥向正应力及主拉应力,主要是由于桥塔受到很大的轴力引起;沿横桥向方向,应力呈现两端大中间小的分布状态,孔洞处(4.2m和-4.2m)应力有突变;沿顺桥向方向,竖桥向正应力和主压应力波动较大,孔洞处(2.3m和-2.3m)应力有突变,突变现象更为明显。4固结段区域应力集中地区(1)大桥所采用塔梁墩固结区构造总体上受力比较合理,应力分布较均匀,绝大部分区域的应力均能满足规范要求。(2)主梁底板区域上下缘存在较大的拉应力,应适当加强该区域钢筋配置或增加梁体高度。(3)固结段截面突变处,局部应力集中现象明显,建议塔柱外边缘、塔梁相交处以及固