基于ANSYS空间有限元详细模型的矮塔斜拉桥主塔受力研究
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摘要：为了解双塔单索面矮塔斜拉桥主塔塔身的受力基本特点，进一步明确主塔塔身受力中局部危险区域的分布，本文以石湾特大桥工程实例为背景，在对斜拉索索力传递规律的研究基础上，进一步通过非线性空间有限元分析软件ANSYS，建立矮塔斜拉桥的塔身空间有限元详细模型，进行有限元数值模拟分析，以期对矮塔斜拉桥主塔的受力性能获得更准确的认识。
关键词：矮塔斜拉桥；主塔；ANSYS；斜拉索
中图分类号：TB21文献标识码：A
文章编号：
1、工程背景
石湾特大桥主桥为（90.5+ 150+90.5）m双塔单索面矮塔斜拉桥，主梁为全预应力混凝土变截面箱梁，塔梁固结，塔墩分离，总体布置及主塔形式分别如图1-1、图1-2所示。
图1-1 石湾特大桥主桥总体布置图
图1-2主塔构造尺寸图
2 分丝转向管截面内荷载分布
通过建立斜拉索分丝转向管的平面单元模型，按斜拉索各钢绞线中心加载单位荷载，进行了斜拉索索力传递规律的平面单元受力分析研究，确立了塔身内48孔分丝转向管承担的荷载分布形式。
由于分丝转向管存在一定的排列方式，由48根钢管组焊而成，其在斜拉索加载后与塔身内钢套管的接触点分布如图2-1所示。为确立48孔分丝转向管在斜拉索加载后对塔身内钢套管的荷载截面分布形式，建立了平面单元模型，通过斜拉索各钢绞线中心加载单位荷载，确立了塔身内钢套管截面上的荷载分布如图2-2所示。
图2-1斜拉索内钢管与外钢管平面单元模型
图2-2 塔身内钢套管截面单位荷载分布图
3 主塔的数值模拟
3.1斜拉索索力值的确定
依据施工图，桥塔斜拉索的编号如图3-1所示。
图3-1主塔处边跨和中跨斜拉索编号
采用Midas Civil对石湾特大桥的单梁模型进行各施工阶段和使用阶段受力分析，边跨和中跨斜拉索（单根）在恒载及标准组合下索力值见表3-1。
表3-1斜拉索（单根）内力值（kN）
拉索编号 恒载 标准组合最大 拉索编号 恒载 标准组合最大
S1 4637 4866 S1' 4635 4911
S2 4651 4893 S2' 4650 4941
S3 4668 4922 S3' 4666 4969
S4 4686 4949 S4' 4684 4996
S5 4704 4981 S5' 4705 5025
S6 4720 5013 S6' 4725 5050
S7 4994 5304 S7' 5000 5327
S8 5017 5346 S8' 5023 5352
S9 5053 5402 S9' 5051 5378
S10 5088 5462 S10' 5070 5396
S11 5129 5529 S11' 5075 5397
S12 5181 5609 S12' 5064 5384
3.2 荷载与边界条件的等效简化
矮塔斜拉桥的桥塔和斜拉索荷载及边界条件模型中，有限元模型数值分析考虑的荷载及边界条件等效简化如下：
（1）假设主梁梁体中室顶板顶面竖向位移为零；
（2）忽略斜拉索和管道之间的摩擦力，斜拉索在主塔塔身上的作用力理想化为管道径向的线均布压力：；
其中：＝单根斜拉索的张拉力；
＝斜拉索管道弯曲半径。
（3）塔身内套管中荷载分布详见图2-2“塔身内钢套管截面单位荷载分布图”。
取单个主塔塔身横向对称，建立二分之一对称模型。模型中混凝土实体采用八节点、每节点三自由度的体单元模拟，忽略普通钢筋的影响，模型单元划分如图3-2所示；
斜拉索外钢管采用八节点、每节点三自由度的体单元模拟，如图3-3中紫色部分。在边界条件的模拟中，约束主梁梁体中室顶板顶面，桥塔横向采用对称约束。模型共有5.2万节点、15万单元。
图3-2 主塔塔身模型单元划分图
图3-3 斜拉索荷载与外钢管模型单元图
4 有限元数值分析结果
在分析结果中，所列图片中采用的单位为m、Pa、N。应力以拉为正，压为负。
4.1 主塔塔身混凝土应力状态
（1）混凝土主压应力
主塔塔身混凝土的主压应力分布如图4-1、图4-2所示。从图中可以看出，塔身混凝土最大主压应力为-18.2MPa，主要分布在主塔塔身最下面一个转向块的下缘，该高压应力区域分布并不广，大部分转向块混凝土的主压应力范围为-2.0MPa～-12.0MPa ，由塔顶到塔底逐渐增大。
图4-1 主塔塔身混凝土主压应力云图
图4-2塔身细部混凝土主压应力云图
（2）混凝土主拉应力
主塔塔身混凝土的主拉应力分布如图4-3、图4-4所示，其中混凝土的主拉应力高于混凝土轴心抗拉强度标准值2.65MPa的分布情况如图4-5所示。
图4-3 主塔塔身混凝土主拉应力云图
图4-4 塔身细部混凝土主拉应力云图
图4-5塔身混凝土主拉应力（＞2.65Mpa）云图
由上述图可以看出，塔身混凝土的最大主拉应力为4.26MPa，主拉应力较高的区域主要集中分布在转向块的混凝土孔洞内。
S1索体孔洞内最大主拉应力为4.26MPa；S2索体孔洞内最大主拉应力为3.5MPa；S3索体孔洞内最大主拉应力为2.7MPa；故主塔塔身混凝土孔洞内的主拉应力分布为从塔顶到塔底逐渐增大，且分布范围也逐渐增广；在同一混凝土孔洞中，高主拉应力分布主要对称集中于近45度方向上，形成两个表层条带。
从图4-5中可以看出，主拉应力高于2.65MPa的区域分布范围并不广，且大多为表层主拉应力，绝大部分混凝土的主拉应力范围为-2.21MPa～1.39MPa。
4.2 塔身内置钢管应力状态
桥塔内置钢管的密斯应力分布如图4-6所示。其中最下面三根钢管的密斯应力分布如图4-7所示。
图4-6 塔身内置钢管的密斯应力图
图4-7最下面三根内置钢管密斯应力图
由图4-6可看出，钢管最大密斯应力为61.2MPa，最小密斯应力为0.22MPa。由图4-7中可看出，钢管的高密斯应力主要分布在侧面，同时钢管靠近桥塔中心线附近较另一侧偏大。S1索体钢管最大密斯应力为61.2MPa；S2索体钢管最大密斯应力为53.9MPa，S3索体钢管最大密斯应力为52MPa。钢管的密斯应力从上到下逐渐增大。总体而言，所有钢管的密斯应力水平都不太高。
考虑到钢管分析作用力的分布情况，建议将矮塔斜拉桥的分丝转向管（48根钢管组焊而成的构件）改成体外预应力钢束专用转向器，如图5-所示。
图4-6 桥塔内置钢管构造的修改
5 结语
根据非线性有限元数值模拟分析的结果，塔身混凝土主压应力和大部分主拉应力均满足规范要求，而最大拉应力出现的区域少且较局限，可通过采用增加普通钢筋含筋率提高抗拉能力来解决。塔身内置钢管的Von Mises应力均小于规范容许值。
对于混凝土主压应力较高的S1索体转向块边缘区域应做局部钢筋加强，建议采用普通环向钢筋进行加强。
参考文献：
[1] 高翔．矮塔斜拉桥的结构行为分析及施工控制．西南交通大学硕士学位论文，2007
[2] 顾安邦，徐君兰．矮塔斜拉桥．
[3] 周翔．矮塔斜拉桥结构行为研究与设计实践．西南交通大学硕士学位论文，2009
作者简介：
李洪亮：（1978-），本科，高级工程师，从事路桥工程设计，单位：天津市市政工程设计研究院。
张昊：（1986-），硕士，助理工程师，从事桥梁设计工作，单位：天津市市政工程设计研究院。
沈可：（1981-），本科，高级工程师，从事路桥工程设计，单位：天津市市政工程设计研究院。