第3期（总第249期）2021年6月20日
华东公路
EAST CHINA HIGHWAY
No.3(Total No.249)
June2221
文章编号：1021-7291(2221)23-0023-22文献标识码：B
-
桥
隧
工
程
.
（节*局
施逸1李兴江2，唐文斌2，祝兵1
（1.西南交通大学土木工程学院，四川成都610231； 2.中铁开发投资集团有限公司，云南昆明652118）
摘要：为研究大跨度斜拉桥主塔结构的力学特N，为该类型桥梁主塔结构的应用提供理论依据，以湘江特大桥为工程背景，采用有限元数值模拟的方法进行受力分析。首先，根据桥塔受力 的特N，选取桥塔根部与下横梁部位，采用大型有限元分析软件MIDAS FEA建立模型，探究其
最不利荷载工况；其次，根据上部结构传递荷载及最大拉应力出现位置的不同将受力环境分为多 种荷载工况，对主塔进行力学特性分析，得出其应力分布规律；最后，从塔根节段混凝土主拉应
力及主压应力、锚垫板等效应力、预应力钢筋应力三个方面，结合规范及工程实际分析其应力状
态。研究结果表明，最不利工况分别出现在上部结构传来y方向弯矩最大及主塔塔壁出现最大拉
加权平均值
应力时；应力易集中在预应力钢筋弯折处、预应力锚固N处、锚垫板处、塔与横梁交界处；应力结规，主塔结构安全。
关键词：公路桥梁；大跨度斜拉桥；主塔结构；有限元法；局部分析
斜拉桥是目前广泛使用的一种桥型，上部结构主要由桥塔、加劲梁和斜拉索构成，桥面体系以加劲梁受压或受弯为主、支撑体系以斜拉索受拉及桥塔受压为主。其跨越能力大、结构新颖、造型美观，因而在现代桥梁工程中具有强大的竞争力。
主塔是斜拉桥的主要受力构件与传力构件，许多典型局部区域经常出现裂缝，尤其是主塔中的应力集中区域，如拉索锚固区、塔根节段、下横梁节段等，因此在大跨度斜拉桥设计计算的过程中桥塔的应力。
常规的全桥梁型，可进行全桥的施工、运营阶段动力特性和弹性性，获桥的静、动力特性。桥梁型的分，现对一些受力的局部构造受力的
，是桥型及桥塔的受力，有要
其进行应力。要主塔应力状，进行有，结为索塔设计与施工时的。
以大桥为工程背景，采用有限元数值模拟的方法进行局部。
根桥塔受力的，在桥塔根部与下横梁，
是其前的受力常，应力集中现
，根部节段结构，的角度可以认为其应桥塔的最大应力；下横梁与主梁，受主梁与上部结构用，横支用，多在整体计算中 。因此用大型有件MIDASFEA塔根型及下横梁型，塔根节段主拉应力及主压应力、锚等应力、预应力钢筋应力三个方面，结合规范及工程实际其应力，大跨度斜拉桥主塔结构的力学为该类型桥梁主塔结构的应用提供
1工程背景
1.1工程背景
大桥位于遵义市瓮安县珠藏镇河西村与遵义市播州区团溪镇荣阮村交界的峡谷，为双塔双索面组合梁斜拉桥，桥面板为材料，面下设两小纵梁。大桥起止桩号为k68+618~k72 +318，横跨，全长1702m0主桥孔跨布置为（72+212+562+212+72）m双塔双索面组合梁斜拉桥，主塔采用菱型索塔，桩基础；过渡墩、辅助墩为空心薄壁墩，桩基础；桥墩采用柱式、板式或
收稿日期：2221-02-19
基金项目：国家自然科学基金高铁联合基金重点支持项目（U2234222）
—4—华东公路2021年第3期
者空心矩形墩，桩基础，桥台采用重力式桥台。桥梁
布置图和主塔构造图如图1所示。
化以后的有限元模型如图2所示。
图2有限元几何模型图1湘江特大桥桥型布置图（单位：cm）
1.2材料及荷载参数
（1）材料参
如表1
表1材料参数表
材料等级
性量
(MPa)
材料密度
（k#m3）
材料泊
松比
混凝土C50 3.45E+242502292
应力Strand
1.95E+207852
2.9
钢绞线1862
(2)参
混凝土容重取25kN/m3，预应力钢绞线取7&50kN/m3。
2有限元模拟与计算工况
计算软件采用大型有件MIDAS FEA0
局部中，边界条件的结果会起到较大影响。
桥塔，部件较多，构件之间的耦合亦比较繁琐，在整个型的实现过程中，不易控制所有使其形、大小均匀，尤其是多个部件含有斜的耦合之处，故应力计算时，很应力集中的。因此，根据桥塔受力的特，进一取桥塔根部节段，尤其是前的应力计算结果。根部节段结构
的角度可以认为其应桥塔的最大应力。
此外，下横梁处与主梁，承受主梁荷载与上部结构作用，横支用，受力比较。因此有型进行局部。
为计算量，采用大型有件MIDAS FEA塔根模型及下横梁模型，经过适当简
塔根底部采用固结，塔根顶面中心位置参，并把顶面所有节点（从属节点）与参考点（主节点）之间进行。具体的边界如图3所示。
a）塔根节段b）F横梁节段
图3有限元边界模型
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主塔根部计算4个工况：主塔轴力最大下工况G1、主塔扭矩最大下工况G2、主塔剪力最大下工况G3、主塔弯矩最大下工况G4；下横梁计算2个工况：横梁下大拉应力下工况H1、横梁上
大拉应力下工况H2o
3主塔节段局部力学性能分析
3.2主塔底部局部力学性能分析
有，对该大桥主塔结构的力学性能进行计算。
3.1.2主塔轴力最大下工况
塔根节段、锚、预应力在上部结构传轴力最大时应力结果如图4~图6所示。
由图4可知，在上部结构传来荷载轴力最大时，混凝土主拉应力最大为3.27MPa，其中主拉应力大
1.33MPa部分集中应力弯，占比仅为
2.8%。其主要原因是因为计算模型应力节点应力集中，
为计算异常点不
2021年第3期施逸，等：大跨度斜拉桥主塔节段局部分析—5—
予考虑；混凝土主压应力最大为37MPa，其中主压应力大于16.2MPa部分集中应力锚固
比不足2.5%。其主要原因是因为计算模型未考
说唱音乐应力的锚具，锚固应力集中，实际施工中配合预应力锚具，此类现象，因此超标区域不。
根据《公路桥涵设计通用规范》，C52：强度抗拉强度为2.65MPa，抗压为33.2MPa，合设计要求。
图5~图6知，锚等效应力最大值为153MPa，远小于《结构桥梁设计规范》Q335钢材容许应力a=270MPa，符合设计要求。现应力集中于902MPa与6226MPa，预应力用两端拉，张拉应力为6395MPa，结合工程实际。
上算，当上部结构传来轴力最大时，结构体系局部验算，符合设计要求。
图5塔根节段混凝土应力图（MPa）
图5塔根节段锚垫板等效应力图（MPa〉
图6塔根节段预应力图（MPaa 3.1.2主塔扭矩最大下工况
在上部结构传矩最大时，混凝土主拉应力最大为3.22MPa，其中主拉应力大于6.33MPa部集中应力弯，占比仅为2.2%。其主要原因是因为计算模型应力，节点应力集中，为计算异常点不；土主压应力最大为30.5MPa，其中主压应力大于16.2 MPa部分集中应力锚固与锚，占比不
2.8%。其主要原因是因为计算模型应力
锚具锚固应力集中际施工中合应力锚具此类现因此区域不。锚等应力大为655MPa。
根据《公路桥涵设计通用规范》，应力及锚等效应力均符合设计要求。预应力为两端拉，张拉应力为6395MPa，现应力集中于992 MPa与6262MPa区合工程际。
上算当上部结构传矩大结构体系局部算合设计要。
3.1.3主塔剪力最大下工况
在上部结构传来y、z方向剪力最大时，混凝土主拉应力最大均为3.22MPa，其中主拉应力大于6233MPa部集中应力弯比
为2.7%、2.8%。其主要原因是因为计算模型-应力节应力集中为计算常不；主压应力大为30MPa、52MPa其中主压应力大6622MPa部集中应力锚固比不225% 223%。其主要因是因为计算型应力锚具锚固应力集中际施工中合
应力锚具此类现因此区域不。锚等应力大为605MPa、606 MPa。
根《桥设计用范》应力及锚等应力均合要。应力为两
拉拉应力为6395MPa现应力均集中992MPa与6226MPa，符合工程实际。
上算当上部结构传y、z力大结构体系局部算合设计要。
3.1.4主塔弯矩最大下工况
在上部结构传y、z弯矩大
主拉应力大均为323MPa其中主拉应力大6233 MPa部集中应力弯比均为2.8%。其主要原因是因为计算模型应力管
节应力集中为计算常
不
—6—华东公路2221年第3期
考虑；混凝土主压应力均最大为42.3MPa，其中主
压应力大于16.2MPa部分集中应力锚固与
锚，占比均不足2.4%。其主要原因是因为计
算模型应力锚具，锚固应力集
中，实际施工中配合预应力锚具，此类现
因此超标区域不o锚等效应力最大值
分别仅为176MPa、127MPa。
根据《公路桥涵设计通用规范》，混凝土应力及
锚等效应力均符合要求。预应力为两：
拉，张拉应力为1395MPa，现应力均集中于
99。MPa与1220MPa，符合工程实际。
综上各项验算，上部结构传来荷载y、z方向弯矩最大时，结构体系局部验算通过，符合设计要求0 3.2主塔横梁局部受力
3.2.1横梁下缘最大拉应力下工况
当在civil模型中，横梁下缘出现最大拉应力时，用FEA进行计算。由图7知，主拉应力P1最大值为4.32MPa，但主拉应力实际大于1.33MPa 部分不足1%，位于塔与横梁交界处，到此有支，较为，且此格在节，故出现少许拉应力是正常且可以接受的；混凝土主压应力P3最大值为22.16MPa，但主压应力实际大于16.3MPa部分不足2.1%，且基本位于横梁预应力锚固，因为此有预应力锚具，出现部较大压应力是常的，际施工中会设置锚具，此类现象0
a）混凝土主b）Pl>1.33c）混凝土主
拉应力Pl MPa部分压应力P3
图2下横梁节段混凝土应力图（MPa）
根《桥设计用范》,C22
拉强度为2.62MPa，抗压强度标准值为32.3 MPa，合设计要求。由图8可知，预应力应力在100。MPa在1152MPa，符合工程实际。
图8预应力钢束应力
3.2.2横梁上缘最大拉应力下工况
当在Civil模型中，横梁上缘出现最大拉应力时，用FEA进行部计算。主拉应力P1大
为43232MPa，主拉应力际大1333MPa部有232%，到有部节会在出现少许拉应力是正常以接受的；
主压应力P3大为1233MPa。
根据《公路桥涵设计通用规范》，应力及锚等效应力均符合要应力应力在1002 MPa与1122MPa合工程际。
3.3结果分析
由表2的统计结，最不利工况为在上部结构传y弯矩大。此主拉应力大为333MPa主压应力大为4233MP
a。其中
应力主要集中应力弯及应力锚固、锚比不238%。其因是因为计算型应力节应力集中为计算常不；计算型
应力锚具，锚固应力集中。化结构边缘构造，在容易出现应力集中的部位设置加强钢际施工中合应力锚具此类现。因此区域均不。类工计算出的应力分布。塔根节段在局部应力较高，到计算的因素，大部区域较的应力 在上类工下主拉应力及主压应力、锚等应力、应力应力均合范要
。
2226年第3期施逸，等：大跨度斜拉桥主塔节段局部分析—0—
表2不同工况下塔根节段应力表
P6P3P6"二彳P3>16.2锚垫板等效预应力
(MPa)(MPa)MPa部分MPa部应力(MPa)(MPa)
工况G6 3.2030.2 2.8% 2.2%163(902,1262)
工况G2 3.2937.4 2.2% 2.8%164(902,1262)
工况G3(y)32830.2 2.2% 2.2%163(902,1262)
工况G3(z) 3.2842.2 2.8% 2.2%66(900,260)
工况G4(y) 3.2242.2 2.8% 2.4%66(900,260)
工况G4(z) 3.3242.2 2.2% 2.4%60(900,260)
表3为不同最大应力位置时下横梁节段应力表。
表3不同最大应力位置时下横梁节段应力表
下横梁计算工况
P
(MPa)
P3
(MPa)
P6>6233
MPa部
P3>6622
MPa部
应力
(MPa)
H6 4.25MPa20.26MPa6%0.1%(1000,1150) H2 4.25MPa16.86MPa0.2%0%((000,H60)wpu
由表3的统计结果可知，最不利工况为在主塔塔壁出现最大拉应力时。此时混凝土主拉应力最大为4.80MPa，主压应力最大为22.12MPa。但其中高峰拉应力值主要集中于塔与横梁交界处，且占比不足6%。究其原因在有限元模拟计算中没有模拟支座垫石，模拟较为保守，且此处网格存在节点奇异，故出现少许拉应力是正常且可以接受的。
综上各种工况，下横梁节段在局部某点应力较高，但绝大部分区域处于较低的应力状态，且考虑到塔梁界在节下横梁算
主拉应力及主压应力、预应力钢束应力均满足规范要。
建议对此类大跨度斜拉桥桥塔进行有限元模拟分析时，应对容易出现应力集中的区域进行网格细化，例如锚固区、构件连接耦合处等，以确保分析精度满足工程要求。
4结论
(6)本文为以湘江特大桥为工程背景，采用大型有限元分析软件MIDAS FEA对主塔进行受力分析。根
据桥塔受力的特点，进一步选取桥塔根部与下横梁节段进行局部计算为大跨度斜拉桥梁主塔结构的应用提供理论依据。
(2)通过对桥塔根部节段的计算可以看出，最不利工况为在上部结构传来y方向弯矩最大时。六类工下的均应力集中出范要应力状态复杂区域及拉应力区域较多，其高峰应力值主要集中应力弯及应力锚固、锚板处，但占比不足2.8%。考虑到计算模型忽略预应力管道及预应力钢束锚具的因素易导致节点应力集中大部区域较的应力区域均不予考虑。建议优化结构边缘构造，在容易出现应力集中的部位设置加强钢筋，在实际施工中配合预应力锚具此类现。
(3)根据桥塔下横梁节段的计算结果，最不利工况为在主塔塔壁出现最大拉应力时，三类工况下的主压应力均在范范主拉应力在塔与横梁交界处出现了应力集中的现象，极有可能是构件连接耦合处存在奇异造成的。故对此类大跨度斜拉桥桥塔进行有应容易出现应力集中的区域进行化度工程要。
(5)在上多类工下大桥桥塔
主拉应力及主压应力、锚等应力、应力
筋应力均符合规范要求，结构安全。
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