卢林旺教导曹海勇和杜隆基
安徽鲁钢工程有限公司中交公路长桥建设国家工程研究中心有限公司
摘要：针对超宽主梁低塔斜拉桥0座施工期结构复杂、安全风险高等问题，以临泉泉河大桥超宽0座为研究对象。研究对象是对施工期工况进行空间控制。受力分析。采用实体有限元建立0号块梁截面局部精细化分析模型，采用截面多点耦合技术合理施加外力荷载，分析其施工期的力传递和分布特性。研究结果表明，多点耦合技术加载方法能够较为准确地模拟结构的外荷载应用。施工期0号区块结构主要受压，结构设计和施工方案合理可靠。同时空间钢结构apdl参数化计算与分析，0号区块大悬臂、超宽、多室主梁效应导致梁段纵、横向应力分布规律复杂，横向桥梁应力较纵向应力波动更为剧烈，表现出显着的变化。横向效应。这在桥梁施工方案的制定和实际施工中应引起重视。
关键词：短塔斜拉桥；超宽0号区块空间应力；施工期；多点耦合技术；
低塔斜拉桥作为现代大跨桥梁的一种新的结构形式[1,2]，自20世纪80年代以来显示出强大的生命力，并日益广泛地应用于桥梁工程实践中[3]，取得了良好的效果。
短塔斜拉桥作为介于常规斜拉桥和连续梁（刚构）桥之间的桥型，具有跨度大、刚度优良、外形美观等特点。同时，由于斜拉索的辅助作用，该桥型还可以改善大跨连续梁桥的开裂、挠度问题[4]。但由于短塔斜拉桥的细部结构相对复杂，尤其是位于塔、梁、桥墩交接处的结构0号块，空间结构相对复杂，因此其局部应力问题也比较突出。对于这种复杂区域，传统的杆系有限元方法已经不能满足分析需要。为了准确掌握结构的受力情况，需要进行实体有限元分析。针对这一问题，许多学者开展了相关研究。曲佳等人。文献[5]通过建立空间有限元模型对宁江松花江大桥0座横隔板进行应力分析，并根据空间分析结果进行预应力钢筋配置设计，取得了良好的效果；黄江等.文献[6]提出了基于静力等效原理的秋浦河短塔斜拉桥简化加载方法，分析了该桥0号梁断面的空间应力传递和分布特征，提供了对设计有良好的支持。 ;张宇[7]以一座短塔斜拉桥为工程背景，采用梁单元和实体单元相结合的方式对其0号区块进行分析，验证了混合单元模拟方法的有效性；吴杰松[8]针对颍河大桥宽桥面特点，采用实体有限元对0号块体系转换前后及桥梁竣工阶段进行应力分析。详细讨论了主梁的剪力滞效应和应力分布特征，为类似工程提供参考。一个有用的参考。上述研究对短塔斜拉桥复杂受力部位的应力分布特征进行了深入探讨，有效推动了结构精细化研究的发展。然而，在深入了解其受力，特别是施工期结构受力行为方面，目前的研究还很有限。比较不足。然而，短塔斜拉桥采用悬臂法建造。施工步骤繁琐，施工期间的应力与成桥状态的应力有显着差异。施工期的安全风险可能高于运营期。因此，迫切需要对低塔斜拉桥0号座的空间受力行为进行精细化研究。
本文以超宽低塔斜拉桥临泉泉河大桥为研究对象，对其超宽0号区块施工期受力进行详细分析研究。基于截面多点耦合技术提出合理的荷载加载方法，并利用空间实体元模型分析施工期结构控制条件，探索其空间应力传递和分布规律。
1 桥梁概况
临泉泉河大桥位于安徽省阜阳市，横跨泉河。主桥采用短塔斜拉桥形式，塔梁固结、墩梁分离体系。桥跨布置为95 m+170 m+95 m。为双塔单索平面预应力混凝土短塔斜拉桥，塔高95m+170m+95m。 28.0m，主梁为单箱五室大悬臂变截面PC连续箱梁。桥梁总体布局及剖面结构分别如图1、图2所示。由于结构桥墩和梁未固结，施工时上部结构的自重和活荷载通过支架和临时支撑传递到桥墩上。同时，0号构造块总宽度达到33.5m空间钢结构apdl参数化计算与分析，属超宽断面，其规模在国内罕见。还采用大型变截面悬臂多室箱梁，其结构受力复杂，尤其是横向超宽断面。因此，利用常规分析方法很难准确掌握真实的受力情况，需要利用空间实体单元对受力进行分析和模拟。
图1 临泉河大桥总体结构布置示意图
图2 临泉河大桥0区块断面结构
临泉泉河大桥0座全长12 m，支点梁高7 m，在距支点中心3 m处按1.8抛物线逐渐减小，直至外缘梁高块 0 的高度变为 6.77 m。梁段顶板厚度不变，为0.30 m；底板厚度从0.90逐渐变化到0.86m，并在腋下局部加厚，以适应结构压应力的变化。管片采用C55混凝土浇筑，具体结构如图3所示。管片采用三向预应力结构。纵向预应力采用15-19级1860钢绞线；横向预应力采用BM15-4 1860级钢绞线，布置在屋盖内；竖向预应力采用Φ32mm高强度精轧螺纹粗钢筋，布置在侧、中腹板和支点隔板上。其典型的预应力截面布置如图4所示。
2 有限元模型及加载 2.1 有限元建模
为了确定结构的空间应力特征，采用空间实体单元对临泉泉河大桥0区块进行建模和仿真。采用通用有限元软件ANSYS进行模型建立和分析，并采用apdl语言进行参数化处理。
外部荷载力流需要传递一定的距离才能准确地施加到0号块上。根据圣维南原理，等效力流在等效区域附近具有不同的应力分布，但力流趋向于与同等区域稍稍保持一致。因此，为了模拟上述转变，模型在分析Block 0时，考虑在两侧同时建立Block 1，并以Block 1作为力流扩散区域，实现外荷载的合理转变。根据上述原理建立了计算模型。模型长18m，宽33.5m，高7.0m。其中，混凝土采用八节点六面体solid45单元模拟，三向预应力筋采用link8单元模拟，采用多节点耦合约束方法实现预应力筋单元与预应力筋单元之间的粘结模拟。具体单位。采用力棒等效冷却法施加预应力，并根据温度精确控制拉应力。整个模型划分为自由网格，所有箱梁混凝土划分为六面体单元（无简并六节点或四节点单元），以保证计算精度。该模型共有 94,575 个单元和 108,201 个节点。有限元离散图如图5所示，三向预应力单元如图6所示。模型中，z轴为沿桥梁方向，y轴为垂直方向，x轴为-axis 为过桥方向。
图3 block 0的总体结构
图4 0号块支点断面纵向预应力布置
2.2 受控工作条件
短塔斜拉桥施工期间，悬臂不断延伸。系统转换比较复杂，工序较多。与桥梁竣工阶段相比，结构受力的不确定性和风险更大。为此，针对施工期的结构，采用杆系模型对全桥施工全过程进行详细分析，获得结构最不利的控制条件，进而确定等效外部结构。相应工况下的负载。
图5 结构有限元模型示意图
图6 三维预应力有限元模型示意图
根据杆系有限元分析结果，结构施工期可控工况可分为3个工况：块0承受最大剪力、最大弯矩和最大轴力，对应2号钢腱张拉，共分三个施工阶段：11号斜拉索张拉、桥面铺装。在确定上述各阶段工况的基础上，得出杆内工况对应的1号区块外沿河边、岸边及上塔柱底部各断面的内力分量提取系统模型，然后将内力转换为实体单元模型的相应分量。通过施加外部负载，可以获得相应控制条件下的外部负载条件。分析结果如表1所示。
2.3 加载方法
对于实体有限元，由单元原理确定，所获得的轴力、剪力和弯矩外载荷不能直接施加到模型截面上。该截面只能施加表面分布应力，而不能直接施加合力，如图7所示。为了解决这一问题，采用静态等效原理结合MPC多点耦合技术[9]，对0号块施加外部载荷。
根据圣维南原理，在相同的外力载荷下，通过块1的力传递过渡，结构的块0可以接近真实的受力情况。因此，根据静力等效原理，1号块体外缘截面上的分布应力可以以其等效合力的形式施加到截面质心上，然后通过块体之间的连接传递到整个截面。质心和截面的每个节点。对于具体的仿真，可以采用MPC（多点约束）多点耦合技术来实现。在截面的质心处建立一个加载节点，然后将截面的所有节点与其耦合，进行MPC多点耦合，如图8所示。这种耦合本质上是将加载节点与截面的各点连接和绑定在一起。通过约束方程的截面。节点连接可以是刚性关系或二力杆关系。因此，可通过上述耦合连接将受载于截面质心的节点外力按刚度分布到截面相应部位，从而实现截面外载荷力的施加、传递和扩散。结构。
表1 外部负载对应的受控工况
序列号
工作条件
地点
轴向力/kN
垂直剪力/kN
弯矩/(kN·m)
对应施工阶段
最大剪切力
河边1号地块外缘
-67818.8
-16043
118 008
张力钢腱2
上塔柱底部
-6 673.29
第468章
1号区块岸侧外缘
-67818.8
16043
118 008
最大弯矩
河边1号地块外缘
-387331
-3 710.1
454 279.5
拉索11
上塔柱底部
-37 018.4
-2.53
440.14
1号区块岸侧外缘
-387316
3 732.1
455 049.3
最大轴向力
河边1号地块外缘
-612878
9 891.1
16630.8
桥面铺装
上塔柱底部
-90046.9
-156.21
-5196.9
1号区块岸侧外缘
-612460
-13204
39242.0
注：轴力受拉时为正，弯矩在主梁下缘受拉时为正，剪力沿截面逆时针方向为正。
图7 模型外荷载加载示意图
图8 MPC耦合技术实现分段加载
图 3 0号区块空间应力分布
基于上述ANSYS空间实体模型和加载方法，分析了施工期各控制条件下结构的受力规律。截面应力特征提取点如图9所示。
图9 截面应力特征点示意图
3.1 最大剪力工况分析结果
最大剪力工况对应的施工阶段为2号钢筋张拉阶段。这一阶段还处于上层建筑建设的初期阶段。其悬臂长度较短，结构内力相对有限。本施工阶段0号块的整体变形如图10所示。
图10 0号块在最大剪切条件下的变形
对于结构内力，由于最大剪力条件对结构主应力影响较大，因此分析了各关键截面特征点主应力的变化规律。主应力分布模式如图 11 所示。
图11 0号块最大剪切条件下的主应力
从图11可以看出，块0的应力分布具有如下规律。
(1) 除局部点外，整个梁截面均处于压缩状态。顶、底板主拉应力为-1.48~1.87 MPa，主压应力为-3.5~0 MPa，沿桥纵横方向对称分布。形式，表明结构双悬臂施工时偏载程度较小。
(2)各断面顶、底板侧向应力脉动规律较为一致，具有良好的对应性。最严重的波动出现在 z=0 的中心部分。这主要是由于那里的隔膜截面突然变化，及其力流所致。因运送路线发生剧烈变化而造成。
(3) 与各截面顶板相比，底板主压应力的横向分布更为平缓，且数值更小。这主要是由于底板厚度较大造成的应力扩散。
总体来看，现阶段应力值较小，结构处于安全范围内。
3.2 最大弯矩工况分析结果
施工过程中，0号区块的最大弯矩发生在斜拉索11张拉阶段，该阶段12号区块已完成浇筑，主梁悬臂长度达到48 m。此时，尽管有斜拉索辅助，但结构应力仍以主梁为主。在此工况下，结构的0号块主要承受弯曲荷载，且由于截面超宽，其跨桥应力和变形差异显着。本施工阶段梁截面整体变形如图12所示。
图12 0号块在最大弯矩条件下的变形
就该工况下结构的内力而言，由于横截面超宽，其纵向和横向应力分布呈现出明显的波动规律。纵向和横向应力分布如图13所示。
图12和图13的分析结果如下。
(1)在轴力、弯矩和预应力的共同作用下，整个0号块仍处于受压状态。但与之前的最大剪力工况相比，此时梁截面的应力水平明显增大。各断面纵向应力为-11.56~1.10 MPa，横向应力为-4.41~1.89 MPa，基本分布在桥梁纵横方向。对称形式与前面的最大剪切条件类似。
图13 最大弯矩工况下0号块的纵横向应力
(2) 纵桥方向应力水平总体上从0号块外缘到支点断面逐渐减小，但横桥方向各点间分布不均匀逐渐增大。这主要是由于纵截面不断增大，但相应的过渡区较陡以及宽箱梁剪力滞效应显着造成的。
(3) 与桥向纵向应力相比，桥向横向应力波动更为剧烈，且顶板和底板之间无显着差异。每个点的应力水平在网上都会减小，但在离开一定距离后会迅速增加。此时，超宽多室箱梁的横向效应显着显现，在设计和施工中需要注意。
总体而言，现阶段的应力水平仍在安全范围内，满足规范要求[10]。
3.3 最大轴向力工况分析结果
整体杆系模型分析表明，结构0号块的最大轴力出现在桥面铺装阶段，即结构的最后施工阶段。该阶段所有构件均已安装完毕，结构承受施工过程中所有累积荷载，是典型的控制阶段。 0号块主要承受压缩和弯曲应力，其超宽截面效应仍然显着。工作状态下梁截面的整体变形如图14所示。
图14 0号块在最大轴向力工况下的变形
对于现阶段0号块的应力，其超宽断面效应仍然显着。相应位置的纵向和横向应力分布如图15所示。
图14和图15的分析结果如下。
(1)在较强的轴力、弯矩和预应力作用下，0号块主要处于受压状态，其应力水平较前两种工况有所改善。断面整体纵向应力在-13.55～-1.45 MPa范围内波动，各关键点均未发现拉应力，其纵横对称规律基本保持不变。
(2)从0块体外缘至支点断面，顶板纵向应力不断减小，但其截面波动程度不断增大；底板纵向应力从外缘到支点段呈现先减小后增大的趋势。 ，其变化规律比较复杂。
(3) 0区块过桥应力不均匀程度较前两种工况更为显着，但整体格局并未表现出显着差异。每个点的应力在腹板茎轴处减小，但在板之间相对较高。与之前的工作状态相比，压力水平有所增加。 0号区块超宽多室箱梁的横向效应不可忽视。
在结构施工过程中，需要加强相应位置的应力监测。
4 结论
采用空间实体有限元方法对临泉泉河大桥0号区块进行空间应力分析研究。主要结果如下。
(1)采用实体单元进行分析，利用MPC多点耦合技术实现外部载荷施加。仿真结果表明，该方法效果良好，能够较准确地实现外荷载在结构上的施加、传递和扩散。
图15 最大轴力工况下0号块竖向和横向应力
(2)梁截面整体以受压为主，压应力在允许范围内；存在局部拉应力，但数值较小。结果满足规范要求，结构设计和施工方案合理可靠。
（3）0号座采用大悬臂、超宽多室主梁结构。梁截面承受复杂的纵向和横向应力。与纵向应力相比，跨桥应力波动更为剧烈，横向效应显着。在桥梁的实际施工中，应认真对待这种影响，以保证结构的施工质量。
参考
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[9] ANSYS Inc.Release 19.0ANSYS文档[M].ANSYS,2018。
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