长山跨海矮塔斜拉桥成桥工作性状三维数值分析

发布时间：2020-02-23 07:55

【摘要】：长山大桥是目前国内最大跨径的预应力混凝土矮塔斜拉桥,为更为准确分析其成桥状态下工作性状,通过建立全桥三维精细化有限元数值模型,合理考虑预应力钢筋和索力作用影响,针对自重、二期恒载、预应力荷载以及车道荷载作用下结构体系受力变形特性进行了三维数值分析,得到一些有意义的结论,可为相关工程实践提供参考。计算结果表明,在大型数值分析过程中需对预应力钢筋进行精细化考虑,以真实反映索力与预应力共同作用下的复杂工作受力变形状态。
【图文】：

斜拉索,主梁,抗弯刚度,应力应变

部区域梁段长度３．０ｍ。主梁混凝土为Ｃ５５高性能混凝土。拉索的布置形式为线性，主梁拉索横向间距２１．６ｍ，主梁上纵向索距为４ｍ，索塔上标准索距０．８ｍ。根据ＡＤＩＮＡ数值平台提供的单元，从中选择能满足分析要求的单元类型，主塔和主梁选用８节点３－Ｄ实体单元［７］。针对斜拉索只受拉不受压的特性，采用非线性的ｔｒｕｓｓ单元模拟斜拉索，材料由给定的单轴应力应变曲线来描述，应力～应变曲线的参数根据斜拉索的弹性模量求得，用于斜拉索的应力应变曲线如图１所示。预应力钢筋则采用线弹性ｔｒｕｓｓ单元模拟。大连长山大桥主梁混凝土中配筋复杂且数量庞大，若对普通钢筋进行完整建模，会大大增加计算消耗，因此需对钢筋进行一些合理的简化［８］。图１斜拉索应力应变～关系曲线简化后的主梁的抗弯刚度与实际的钢筋混凝土的抗弯刚度满足下列关系式：ＥＩ＝ＥｓＩｓ＋ＥｃＩｃ（１）式中：Ｅ为简化后模型的弹性模量；Ｅｓ和Ｅｃ分别为钢筋和混凝土的弹性模量。因长山大桥为塔梁墩固结体系，薄壁墩和主塔建模时采用单元耦合处理，以保证主梁和主塔的整体性。长山大桥全桥数值模型如图２所示。图２全桥有限元数值模型数值模型中采用分离式钢筋模型，具体通过ｔｒｕｓｓ单元选项中的Ｕｓｅａｓｒｅｂａｒ功能实现。其中，Ｒｅｂａｒ单元预应力的施加方法则采用初应变法，通过进一步考虑应力应变关系由初应力计算得出所需初应变。初应变法概念清晰、计算简单，能很好模拟大连长山大桥预应力初应力施加过程。本文数值模型中主梁的横向、竖向和纵向预应力筋均采用上述初应变法模拟。具体初应

半跨,中跨,主梁

其他附属设施按９ｋＮ／ｍ计［９］，则换算成面积分布力４．１７ｋＮ／ｍ２。主梁挠度的产生主要是由于桥梁自重和静活载两部分作用所引起，依据《公路桥涵设计通用规范》规定，主梁作为受弯构件需验算其在静活载作用下的变形是否满足限值要求。而对于桥梁自重导致的竖向挠度为长期变形，，需采用设置预拱度来加以消除［１２］。为了分析预应力荷载对结构位移的影响，本文分别对有预应力钢筋和无预应力钢筋两种三维模型进行计算。主梁在是否考虑预应力钢筋两种情况下，其中跨半跨的位移比较如图３所示。由图３可见，在不考虑预应力作用影响情况下，所计算桥面位移，最大位移发生在中跨某斜拉索作用处，最大幅值水平为０．０３３４ｍ。而在考虑预应力钢筋情况下，主梁起拱，由于中跨合龙段底板钢束比较多，使得跨中部分拱起，主梁的最大位移发生在中跨的跨中，最大幅值水平为０．１２９１ｍ，符合规范关于预拱度的限值要求。由上述分析结果可知，在考虑预应力荷载作用下所计算的结构主梁位移更符合实际的情况。图３主梁中跨半跨位移变化主塔在是否考虑预应力钢筋作用两种情况下的顺桥向位移比较如图４所示。由图４可见，在不考虑预应力钢筋影响时，主塔基本保持竖直，此时主梁亦基本保持水平，且由于边跨侧和中跨侧斜拉索索力不等，导致主塔稍向边跨侧偏移。在主梁考虑有预应力钢筋作用时，主塔发生较大倾斜，最大顺桥向位移发生在塔根位置，最大幅值水平为０．０１６ｍ。由于局部结构为塔梁墩固结体系，索塔根部顺桥向位移对应，这亦与图５所示主墩在自重与二期恒载作用下墩顶顺桥向位移幅值水平和位置相一致。图４主塔顺桥向位移随高度变化图５主墩纵桥向

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