组合梁斜拉桥辅助墩压重区横梁局部构造精细化有限元分析

组合梁斜拉桥辅助墩压重区横梁局部构造精细化有限元分析

丁开  张皓  马政辉  聂念从

云南省交通规划设计研究院有限公司  昆明 650041

摘要：组合梁斜拉桥因其合理的力学性能和良好的经济性在大跨径桥梁中得到广泛应用，钢混组合梁作为其主要的受力和传力构件之一，其受力安全以及局部稳定对于大桥整体结构的安全以及大桥正常运营起着至关重要的作用，基于此，本文以某大跨组合梁斜拉桥为工程背景，重点研究辅助墩压重处横梁的受力情况，分析该处横梁应力分布规律、受力性能、屈曲稳定性、安全性及构造合理性，以便为同类桥梁的设计提供分析方法和数据支撑，可供类似工程借鉴和参考。

关键词：斜拉桥；钢混组合梁；局部分析；屈曲稳定

1、工程背景

本桥主桥为主跨跨径370m的五跨连续半漂浮体系双塔双索面组合梁斜拉桥，桥梁总长822m，桥面宽30.5m，采用宝石型混凝土索塔，群桩基础；引桥为钢板组合梁桥，辅助墩及过渡墩为矩形空心薄壁墩，引桥桥墩为柱式墩+桩基础，两岸桥台均为桩柱式桥台，本桥总体布置图如图1所示。

图1 某双塔双索面组合梁斜拉桥总体布置图(单位：cm)

2、有限元模型

（1）计算参数

1.1.辅助墩横梁采用Q345钢材：质量密度γ=7850kg/m3，弹性模量E=2.06×105MPa。

1.2.混凝土桥面采用C55混凝土：质量密度γ=2600kg/m3，弹性模量E=3.55×104MPa。

（2）单元选取

钢结构梁采用S4R单元模拟,混凝土结构采用C3D8R单元模拟，桥面板中预应力钢筋采用truss T3D2单元模拟，并将其内置区域至桥面板中，建立的有限元模型如图2.1所示。

图2.1：钢梁节段模型

（3）边界条件

由于本模型重点关注横梁受力，故边界条件选取为钢主梁节段有限元模型在支座节点处仅约束竖向（Z方向）位移，在主纵梁两端断面全约束。

（4）荷载工况

图2.2：工况1跨中弯矩最大工况横梁腹板正上方加载示意

图2.3：工况2支点剪力最大工况横梁腹板正上方加载示意

3、结果分析

（1）模型各构件的应力分布如下图所示。

图3.1工况一基本组合作用下各构件的Mises应力分布（单位：MPa）

图3.2工况二基本组合作用下各构件的Mises应力分布（单位：MPa）

（2）屈曲分析结果：

图3.4工况一下屈曲模态图

图3.5工况二下屈曲模态图

由上图各工况下辅助墩处横梁应力分布情况可知，在基本组合作用下，横梁各构件应力值的大小基本在21.34-173.33Mpa区间范围内，应力分布较为均匀，仅在横梁与主纵梁相接的局部区域出现较大应力值，其中最大应力值可达239.02Mpa，这是因为该区域构件刚度急剧变化，计算分析时出现结构应力集中，该部分计算值存在失真现象，对横梁整体安全影响较小，因此，可认为，在不考虑应力集中的情况下辅助墩位置压重区横梁各板件受力均能满足设计要求，且绝大部分板件安全系数很高，构造尺寸及细节设计较为合理。本模型对纵梁模拟边界及荷载均存在一定失真，未考虑斜拉索作用以及主梁上顺桥向轴力、弯矩以及剪力等效应，故该部分应力可不做参考。

图3.4-图3.5分别给出了两种工况下横隔板在车辆荷载和恒载作用下的屈曲模态及屈曲系数，从图中可知在考虑了4倍车辆荷载放大系数后各工况下的屈曲系数均大于2，满足规范相关要求。

结论

本文通过对某双塔双索面组合梁斜拉桥辅助墩压重区横梁的局部应力进行精细有限元分析，计算分析了该处横梁的应力分布规律、受力性能、屈曲稳定性、安全性及构造合理性，得出以下结论：

（1）本桥辅助墩压重区横梁的受力性能及稳定问题均满足规范要求；

（2）横梁各板件应力分布均匀，仅在在横梁与主纵梁相接的局部区域存在应力集中现象，但是面积很小且位于板件表面，对结构受力影响较小，构造尺寸及细节设计合理；

（3）辅助墩压重区横梁的稳定系数在考虑了4倍车辆荷载放大系数后各工况下的屈曲系数仍满足规范相关要求，横梁各板件设计合理，受力安全。

参考文献：

[1]甄玉杰,宋松林，冯云成. 飞云江五桥施工阶段桥面系局部计算分析[J].公路工程,2015,40(01):174-176.

[2]郝翠,曹新垒.钢板组合梁斜拉桥塔梁固结构造空间受力分析 [J].工程与建设,2021,35(06):1206-1209.

[3]中华人民共和国行业标准.公路桥涵设计通用规范JTG D60-2015.北京:人民交通出版社.2015

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