大跨度V型双拱塔斜拉桥索塔钢-混结合段有限元分析
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中图分类号：Ｕ４４８．２７ 文献标识码：Ａ
０ 引言 近年来随着城市建设的发展ຫໍສະໝຸດ Baidu来越多的跨河桥
梁兴建起来，桥梁不仅承担着连通河两岸的结构物 更起着提升城市景观的作用。由于斜拉桥在力学上 具有受力简洁明快、施工工艺成熟，在景观上因其索 塔高大挺拔、拉索刚劲有力、主梁线形柔美等特点备 受业主青睐。由于双拱塔构成的 Ｖ型不仅寓意胜 利、旗开得胜之意而且也似一双张开的双手，有开放 包容之意，同时兼具拱桥与斜拉桥的美学特点，越来 越多地应用到斜拉桥的桥塔造型中，如沈阳三好桥、 西安沣河桥、荔波官塘大桥等。目前对于斜拉桥的 局部分析多是针对索塔锚固区、主梁钢 －混结合段 等［１－３］，而针对钢 －混索塔的钢 －混结合段来说研 究较少，然而其本身构造的复杂性及结构的重要性， 有必要进行局部应力分析［４－６］。以朝阳新城东街大 桥（跨径组合 ２×９０ｍＶ型双拱塔斜拉桥）为工程实 例，建立了桥塔钢 －混结合段的局部有限元模型，对 关键板件进行了空间应力分析，得出一些结论以供 设计参考。 １ 工程概况
采用大型空间有限元分析软件 ｍｉｄａｓｆｅａ分析 主塔钢 －混结合段处的应力水平及应力分布情况。 空间有限元模型全部采用实体单元精确模拟，连接 处各个板件包括主塔顶板、底板、腹板、横隔板和加 劲肋以及混凝土塔座等，划分网格时可将关心区域 的网格划分得更细些。为方便从全桥计算结果中提 取局部力边界条 件 且 满 足 圣 维 南 原 理 的 要 求，主 塔 钢 －混结合段处局部模型截取范围为钢塔取 ３ｍ，混
朝阳新城东街大桥为跨径组合 ２×９０ｍ双拱塔 斜拉桥。主梁采用单箱四室预应力混凝土箱梁，拱 塔采用双拱塔 Ｖ字形，拱塔中心倾斜 ２０°，拱轴线为
椭圆线，拱塔断面为单箱单室钢箱断面。拱塔拉索 锚固采用钢锚箱方式，腹板之间沿斜拉索的角度设 置 ４０ｍｍ厚承压侧板。承压侧板外侧设置 ２５ｍｍ厚 加劲板。承压侧板与加劲板顶面设置厚度为 ４０ｍｍ 的承压顶板，承压顶板顶面设置厚 ６０ｍｍ锚垫板。 斜拉索和水平拉索采用标准强度为 １６７０ＭＰａ的高 强度镀锌平行钢丝外挤包高密度聚乙烯拉索，全桥 共 ６０根。主墩为矩形实心混凝土墩，顺桥向宽 ３ｍ， 横桥 向 为 ２个 独 立 基 础，承 台 厚 ５ｍ，承 台 下 设 １６ ２ｍ钻孔灌注桩。桥型布置图见图 １所示。 ２ 模型建立 ２．１ 钢 －混结合段结构构造
表 １ 各静力荷载工况下锚固面 各板件及混凝土塔座的最大应力值
和 Ｎ２ａ板的相交处。各构件发生最大应力值时，应力 较为均匀，没有明显的应力集中现象，整体应力水平
位置
Ｎ１和 Ｎ１ａ Ｎ２和 Ｎ２ａ Ｎ３和 Ｎ３ａ 混凝土 主拉应力 塔座 主压应力
２０１８年 第 １期 北 方 交 通
文章编号：１６７３－６０５２（２０１８）０１－０００１－０４ ＤＯＩ：１０．１５９９６／ｊ．ｃｎｋｉ．ｂｆｊｔ．２０１８．０１．００１
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大跨度 Ｖ型双拱塔斜拉桥索塔 钢 －混结合段有限元分析
王大千１，２，李志强１
（１．中国市政工程东北设计研究总院有限公司 长春市 １３００２１；２．西南交通大学土木工程学院 成都市 ６１００３１）
拱塔底部与混凝土塔柱结合处采用承压式设 计［７］。每个拱 塔 底 部 内 外 侧 均 设 置 若 干 道 宽 度 为 ２５０～４５０ｍｍ、厚度 ３０ｍｍ的底部加劲肋，同时在混 凝土塔柱锚杆对应位置设置宽 １３０ｍｍ、厚 ２０ｍｍ和 宽 ３７０ｍｍ、厚 ２５ｍｍ的锚杆支撑加劲肋。底部加劲 肋与锚杆支撑加劲肋顶部设置厚度为 ３０ｍｍ的顶 板，拱塔以及各加劲肋底部设置厚度 ８０ｍｍ的承压 板。混凝土下塔柱内设置的锚杆穿过承压板以及顶 板上预留孔洞锚固在顶板顶部设置的垫板上，将混 凝土塔柱与钢拱塔紧密连接为一体。在垫板底部的 拱 塔壁板对应处，设置与拱塔壁板厚度一致的锚固
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北 方 交 通 ２０１８年 第 １期
图 １ 桥型布置图 ／ｃｍ
图 ２ 主塔钢 －混结合段构造示意图 ／ｃｍ
板，并在锚固板上设置宽度 ２５０ｍｍ、厚 ２５ｍｍ的加劲 板。加劲板上设置若干直径 １００ｍｍ的钢筋穿过孔， 通过预设直径为 ２５ｍｍ的钢筋，使其与混凝土塔柱 更为牢固地结合为一体，具体见图 ２所示。 ２．２ 有限元模型
摘 要：主塔钢 －混结合段是索塔受力的关键部位，是结构设计中重点关注的细部结构，因此有必要进行局部 应力分析。首先根据圣维南原理，采用大型空间有限元分析软件 ｍｉｄａｓｆｅａ建立了主塔钢 －混结合段的有限元模 型，然后分 ４种静力荷载工况对钢 －混结合处的应力水平及应力分布情况进行了较为详细的分析。结果表明：主 塔钢 －混结合段各构件应力水平不高，钢结构处于弹性工作状态，未出现屈服，混凝土主拉与主压应力水平较低， 结构设计合理，能够满足设计与使用要求。 关键词：斜拉桥；Ｖ型双拱塔；钢 －混结合段；空间应力；有限元分析
２０１８年 第 １期 王大千等：大跨度 Ｖ型双拱塔斜拉桥索塔钢 －混结合段有限元分析
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图 ３ 索塔钢 －混结合段有限元模型
成桥状态下的轴力取值为 １３０ｔ。 ３ 空间应力分析
分 ４种静力荷载工况对钢 －混结合处的应力水 平及应力分布情况进行较为详细的分析。各静力荷 载工况下锚固面各板件及混凝土局部空间应力分析 结果见表 １。
凝土塔座按照实际结构去模拟［８－１０］。有限元模型见 图 ３。 ２．３ 边界条件
根据整体分析的结果，将主力组合荷载作用下 提取出的对应构件对应位置的内力互相叠加后，将 内力由整体模型中的单元局部坐标系转换为局部模 型的整体坐标系下，即得到局部模型中每个杆件应 施加的力边界条件，并按静力等效原则将转换后的 内力施加于各断面。鉴于有限元模型有三个自由 端，为了消除刚体位移，此处将主塔下端固定，即约 束此端节点的全部自由度，其它自由端按静力等效 原则施加力的边界条件，按照总体计算得到的钢 － 混 接头处各工况下截面内力进行加载，锚杆力考虑
０ 引言 近年来随着城市建设的发展ຫໍສະໝຸດ Baidu来越多的跨河桥
梁兴建起来，桥梁不仅承担着连通河两岸的结构物 更起着提升城市景观的作用。由于斜拉桥在力学上 具有受力简洁明快、施工工艺成熟，在景观上因其索 塔高大挺拔、拉索刚劲有力、主梁线形柔美等特点备 受业主青睐。由于双拱塔构成的 Ｖ型不仅寓意胜 利、旗开得胜之意而且也似一双张开的双手，有开放 包容之意，同时兼具拱桥与斜拉桥的美学特点，越来 越多地应用到斜拉桥的桥塔造型中，如沈阳三好桥、 西安沣河桥、荔波官塘大桥等。目前对于斜拉桥的 局部分析多是针对索塔锚固区、主梁钢 －混结合段 等［１－３］，而针对钢 －混索塔的钢 －混结合段来说研 究较少，然而其本身构造的复杂性及结构的重要性， 有必要进行局部应力分析［４－６］。以朝阳新城东街大 桥（跨径组合 ２×９０ｍＶ型双拱塔斜拉桥）为工程实 例，建立了桥塔钢 －混结合段的局部有限元模型，对 关键板件进行了空间应力分析，得出一些结论以供 设计参考。 １ 工程概况
采用大型空间有限元分析软件 ｍｉｄａｓｆｅａ分析 主塔钢 －混结合段处的应力水平及应力分布情况。 空间有限元模型全部采用实体单元精确模拟，连接 处各个板件包括主塔顶板、底板、腹板、横隔板和加 劲肋以及混凝土塔座等，划分网格时可将关心区域 的网格划分得更细些。为方便从全桥计算结果中提 取局部力边界条 件 且 满 足 圣 维 南 原 理 的 要 求，主 塔 钢 －混结合段处局部模型截取范围为钢塔取 ３ｍ，混
朝阳新城东街大桥为跨径组合 ２×９０ｍ双拱塔 斜拉桥。主梁采用单箱四室预应力混凝土箱梁，拱 塔采用双拱塔 Ｖ字形，拱塔中心倾斜 ２０°，拱轴线为
椭圆线，拱塔断面为单箱单室钢箱断面。拱塔拉索 锚固采用钢锚箱方式，腹板之间沿斜拉索的角度设 置 ４０ｍｍ厚承压侧板。承压侧板外侧设置 ２５ｍｍ厚 加劲板。承压侧板与加劲板顶面设置厚度为 ４０ｍｍ 的承压顶板，承压顶板顶面设置厚 ６０ｍｍ锚垫板。 斜拉索和水平拉索采用标准强度为 １６７０ＭＰａ的高 强度镀锌平行钢丝外挤包高密度聚乙烯拉索，全桥 共 ６０根。主墩为矩形实心混凝土墩，顺桥向宽 ３ｍ， 横桥 向 为 ２个 独 立 基 础，承 台 厚 ５ｍ，承 台 下 设 １６ ２ｍ钻孔灌注桩。桥型布置图见图 １所示。 ２ 模型建立 ２．１ 钢 －混结合段结构构造
表 １ 各静力荷载工况下锚固面 各板件及混凝土塔座的最大应力值
和 Ｎ２ａ板的相交处。各构件发生最大应力值时，应力 较为均匀，没有明显的应力集中现象，整体应力水平
位置
Ｎ１和 Ｎ１ａ Ｎ２和 Ｎ２ａ Ｎ３和 Ｎ３ａ 混凝土 主拉应力 塔座 主压应力
２０１８年 第 １期 北 方 交 通
文章编号：１６７３－６０５２（２０１８）０１－０００１－０４ ＤＯＩ：１０．１５９９６／ｊ．ｃｎｋｉ．ｂｆｊｔ．２０１８．０１．００１
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大跨度 Ｖ型双拱塔斜拉桥索塔 钢 －混结合段有限元分析
王大千１，２，李志强１
（１．中国市政工程东北设计研究总院有限公司 长春市 １３００２１；２．西南交通大学土木工程学院 成都市 ６１００３１）
拱塔底部与混凝土塔柱结合处采用承压式设 计［７］。每个拱 塔 底 部 内 外 侧 均 设 置 若 干 道 宽 度 为 ２５０～４５０ｍｍ、厚度 ３０ｍｍ的底部加劲肋，同时在混 凝土塔柱锚杆对应位置设置宽 １３０ｍｍ、厚 ２０ｍｍ和 宽 ３７０ｍｍ、厚 ２５ｍｍ的锚杆支撑加劲肋。底部加劲 肋与锚杆支撑加劲肋顶部设置厚度为 ３０ｍｍ的顶 板，拱塔以及各加劲肋底部设置厚度 ８０ｍｍ的承压 板。混凝土下塔柱内设置的锚杆穿过承压板以及顶 板上预留孔洞锚固在顶板顶部设置的垫板上，将混 凝土塔柱与钢拱塔紧密连接为一体。在垫板底部的 拱 塔壁板对应处，设置与拱塔壁板厚度一致的锚固
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北 方 交 通 ２０１８年 第 １期
图 １ 桥型布置图 ／ｃｍ
图 ２ 主塔钢 －混结合段构造示意图 ／ｃｍ
板，并在锚固板上设置宽度 ２５０ｍｍ、厚 ２５ｍｍ的加劲 板。加劲板上设置若干直径 １００ｍｍ的钢筋穿过孔， 通过预设直径为 ２５ｍｍ的钢筋，使其与混凝土塔柱 更为牢固地结合为一体，具体见图 ２所示。 ２．２ 有限元模型
摘 要：主塔钢 －混结合段是索塔受力的关键部位，是结构设计中重点关注的细部结构，因此有必要进行局部 应力分析。首先根据圣维南原理，采用大型空间有限元分析软件 ｍｉｄａｓｆｅａ建立了主塔钢 －混结合段的有限元模 型，然后分 ４种静力荷载工况对钢 －混结合处的应力水平及应力分布情况进行了较为详细的分析。结果表明：主 塔钢 －混结合段各构件应力水平不高，钢结构处于弹性工作状态，未出现屈服，混凝土主拉与主压应力水平较低， 结构设计合理，能够满足设计与使用要求。 关键词：斜拉桥；Ｖ型双拱塔；钢 －混结合段；空间应力；有限元分析
２０１８年 第 １期 王大千等：大跨度 Ｖ型双拱塔斜拉桥索塔钢 －混结合段有限元分析
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图 ３ 索塔钢 －混结合段有限元模型
成桥状态下的轴力取值为 １３０ｔ。 ３ 空间应力分析
分 ４种静力荷载工况对钢 －混结合处的应力水 平及应力分布情况进行较为详细的分析。各静力荷 载工况下锚固面各板件及混凝土局部空间应力分析 结果见表 １。
凝土塔座按照实际结构去模拟［８－１０］。有限元模型见 图 ３。 ２．３ 边界条件
根据整体分析的结果，将主力组合荷载作用下 提取出的对应构件对应位置的内力互相叠加后，将 内力由整体模型中的单元局部坐标系转换为局部模 型的整体坐标系下，即得到局部模型中每个杆件应 施加的力边界条件，并按静力等效原则将转换后的 内力施加于各断面。鉴于有限元模型有三个自由 端，为了消除刚体位移，此处将主塔下端固定，即约 束此端节点的全部自由度，其它自由端按静力等效 原则施加力的边界条件，按照总体计算得到的钢 － 混 接头处各工况下截面内力进行加载，锚杆力考虑