桥下塔柱实体分析计算书:专业视角

1.概述

索塔的下塔柱受力情况比较复杂,故建立实体模型,计算其在短期作用组合下和施工阶段的应力状况。导入模型的结构包括5m长桩基、下塔柱、下横梁、承台、中塔柱和上横梁。

计算软件采用Ansys 10.0,在模型中混凝土用四面体单元模拟,预应力筋用桁架单元模拟。

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图1.1 纵桥向视图

模型中的实体如图1.1所示。实体包括5m长的桩基、承台、下塔柱、下横梁、中塔柱和上横梁。下横梁纵桥向3道竖墙的厚度分别为1.0m、0.6m、1.0m;下横梁顶板厚度为1.2~0.9m。下塔柱坡度1:4,中塔柱坡度1:5.026。在模型中,一排只受压单元来模拟此竖向支承作用。只受压单元合计面积等于竖墙横截面,材料特性与混凝土相同。

横桥向竖墙在成桥后浇注


坐标系:与Midas总体模型坐标系相同,即纵桥向为x坐标,横桥向为y坐标,竖向为z坐标。坐标原点在承台顶面中心。

边界条件:约束桩基底部所有节点的3个方向的位移。

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图1.3 预应力在塔壁上的锚固位置


预应力采用GB/T5224-2003高强度钢绞线,II级松弛,标准强度fpk=1860MPa, 弹性模量Es=1.95×105MPa,每束预应力为19-sφ15.2钢绞线。图1.3所示的为预应力筋在塔壁上的锚固位置。相邻预应力筋横桥向标准距离为50cm,竖向的标准距离为39cm。预应力筋共有33束。

预应力筋布置受到空间的制约。在满足锚固空间和局部承压的基础上,尽量可能将预应力往上布置,以较小对劲性骨架的影响。此外,为了方便预应力定位和避免与横桥向钢筋冲突,预应力筋只进行竖弯。

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图1.4 预应力筋布置及网格划分




2.计算原则


2.1永久作用


1.结构重力

混凝土:

容重26KN/m3 (强度等级C50 弹性模量 3.45×104MPa)

预应力筋:

容重79KN/m3 (弹性模量 1.95×105MPa)


2.预应力作用

在作用短期效应组合下,按照D62规范,不考虑分批张拉的损失(计算中已经考虑),偏保守计算得第一、三批预应力永存应力在1200~1100MPa(钢束的应力不均,弯起段结束处应力最小,反摩擦计算终点应力最大);第二批预应力永存应力在1220~1140MPa。使用阶段,钢束应力变化不大。对所有钢束,赋予初应力1150MPa。

在施工阶段,在计算塔根的竖向拉应力时,张拉当批预应力,预应力初应力取1320MPa,之前批次张拉的预应力初应力取1230MPa;在计算下横梁中横桥向正应力时,预应力初应力取1150MPa。



2.2其他作用


1.支座作用力:

以节点荷载形式施加,力包括竖向力。作用的节点为支座范围所有节点,作用力大小为支反力除以支座范围内节点数。提取多个施工阶段和短期作用组合的支反力,作为支座作用力。


2.整体温度:

如图2.1所示,承台顶面以下2.5m的结构,赋予整体温度-20℃;承台顶面以下2.5m至承台顶面,温度线性变化,从-20℃~-30℃;承台以上结构的外表面,赋予整体温度-30℃。

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                               图2.1 温度分布图(整体+索塔横桥向梯度温度)

3.梯度温度:

横桥向梯度温度与整体模型相同;顺桥向梯度温度作用用作用在中塔柱上端的荷载等效。(横桥向梯度温度产生的效应在框架内,顺桥向梯度温度作用产生的效应在框架外;故横桥向梯度温度通过温度场施加,顺桥向梯度温度效应用荷载等效。)


4.中塔柱顶端的力边界条件:(作用短期效应组合下)

作用力有:竖向力、横桥向水平力、横桥向弯矩、纵桥向水平力、纵桥向弯矩。选取多个节点,用力等效原则施加节点力和力矩。


5.风荷载及施工中预顶力

按照中塔柱根部产生同样弯矩和剪力的原则,将作用在面上的风荷载等效成作用在中塔柱多个节点力。按照同样的原则,用多个节点力代替施工中的预顶力。



2.3施工阶段划分

阶段1:激活承台、下塔柱的单元,张拉钢束N1(共5束);

阶段2:激活中塔柱的单元,施加预顶力(参考midas整体模型)

阶段3:激活上横梁的单元,施加上横梁预应力,释放预顶力;施加上横梁后到主塔上塔柱完成1/2(未考虑施工荷载)施工阶段,上塔柱传给中塔柱的力;

阶段4:第二次张拉预应力,张拉钢束N2(共10束);

阶段5:施加从阶段4到第11#索张拉完毕施工阶段,上塔柱传给中塔柱的力(增加的部分);

阶段6:第三次张拉预应力,张拉钢束N3(共18束);

阶段7:成桥施工阶段(不考虑10年收缩徐变),将此阶段内力与阶段5施工阶段内力差,作用到结构上;

阶段8:成桥施工阶段(考虑10年收缩徐变),将此阶段内力与阶段7施工阶段内力差,作用到结构上。



2.3作用短期效应下的不利组合

在上塔柱下部节点的内力作为荷载,施加在中塔柱上端。此内力可以分为轴力(竖向力)、水平力(顺桥向、横桥向)和弯矩(顺桥向、横桥向)。

工况一:轴力(绝对值)最大组合

工况二:轴力(绝对值)最小组合

工况三:顺桥向水平力(绝对值)最大组合

工况四:横桥向弯矩(绝对值)最大组合

工况五:横桥向水平力最大组合

工况六:横桥向水平力最小组合

工况七:顺桥向弯矩最大组合

工况七:顺桥向弯矩最小组合

在作用短期效应组合下,横桥向水平力最大、最小组合实际上是同一个工况,因为一个塔柱水平力大,必然另一个塔柱水平力小;横桥向水平力和顺桥向弯矩直接相关;顺桥向水平力和横桥向弯矩直接相关。最终选取的4个组合为如下受力状况:

组合1:其中两个塔柱顺桥向弯矩(力矩方向)、横桥向水平力较大,横桥向弯矩(力矩方向)、顺桥向水平力较大;

组合2:其中两个塔柱横桥向弯矩(力矩方向)、顺桥向水平力最大;

组合3:轴力(绝对值)较小,其中一个塔柱顺桥向弯矩(力矩方向)、横桥向水平力取最大;

组合4:轴力(绝对值)最大




3. 施工阶段计算结果


3.1 施工阶段1——下塔柱施工,第一次张拉预应力

阶段1中,激活桩基、承台、下塔柱的单元,张拉钢束N1,钢束初应力1320MPa。在整体坐标下,下塔柱塔根竖向正应力见图3.1.1。

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                          图3.1.1 下塔柱塔根竖向应力图(单位:kPa)

根据图3.1.1,在施工阶段1:塔根出现竖向拉应力,竖向拉应力不大于1.6MPa,在塔根位置出现1.1~1.6MPa的竖向压应力。



3.2 施工阶段3——上塔柱施工到1/2

阶段2中,激活中塔柱,施加预订力;

阶段3中,激活上横梁,施加1/2上塔柱自重(未考虑施工荷载),释放预顶力,施加预应力。(钢束初应力1150MPa)

在整体坐标下,下横梁横桥向正应力如图3.2.1所示。

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                                图3.2.1 下横梁横桥向正应力图(单位:kPa)

根据图3.2.1,在施工阶段3:横梁中绝大多数区域横桥向拉应力不大于1MPa,在纵桥向三道竖墙上方出现0.5~0.95MPa的横桥向拉应力(支点负弯矩产生)。




3.3 施工阶段4——第二次张拉预应力

阶段4中,张拉钢束N2,钢束N2的初应力为1320MPa,钢束N1的初应力为1230MPa。在整体坐标下,下塔柱塔根竖向正应力见图3.3.1。

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图3.3.1 下塔柱塔根竖向应力图(单位:kPa)

根据图3.3.1,在施工阶段4:塔根出现竖向拉应力,竖向拉应力不大于1.5MPa,在塔根部位置出现0.6~1.44MPa的竖向拉应力。




3.4 施工阶段5——11#索张拉完毕

将主塔施工完成1/2与11#索张拉后上塔柱底的内力差施加在中塔柱上缘。在整体坐标下,下横梁的正应力如图3.4.1所示。(钢束初应力1150MPa)

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图3.4.1 下横梁横桥向正应力图(单位:kPa)

根据图3.4.1,在施工阶段5:横梁中中横桥向拉应力一般不大于0.9MPa,在纵桥向三道竖墙上方、塔柱与横梁连接处出现0.2~0.9MPa的横桥向拉应力(支点负弯矩产生)。



3.5 施工阶段6——第三次张拉预应力

阶段6中,张拉钢束N3,钢束N3的初应力为1320MPa,钢束N2、N1的初应力为1230MPa。。在整体坐标下,下塔柱塔根竖向正应力见图3.5.1。

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图3.5.1 下塔柱塔根竖向应力图(单位:kPa)

根据图3.5.1,在施工阶段6:塔根出现竖向拉应力,竖向拉应力一般不大于1.4MPa,在塔根部位置出现0~1.33MPa的竖向拉应力。



3.6 施工阶段8——恒载(成桥10年)

阶段8中,将midas总体模型中,在中塔柱顶部节点在施工阶段7(成桥0年)与施工阶段8内力差,作为外荷载,作用在实体模型上端。下横梁与下塔柱的应力状态如图所示。

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                             图3.6.1 z=10.2切面横桥向正应力图(单位:kPa)

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                         图3.6.2 z=9切面横桥向正应力图(单位:kPa)


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                       图3.6.3 z=8.5切面横桥向正应力图(单位:kPa)

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                               图3.6.4 z=0.8切面竖向正应力图1(单位:kPa)

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                              图3.6.5 z=0.8切面竖向正应力图2(单位:kPa)


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                          图3.6.6 下塔柱空心箱室上缘结构x向应力图(单位:kPa)

根据图3.6.1~3.6.6,在成桥后时间点,在横桥向,下横梁处于全受压状态;下塔柱塔根不存在竖向拉应力,下塔柱远离道路中心线和靠近道路中心侧竖向压力比较均匀,截面绝大部分竖向压应力在-3~-7MPa之间;下塔柱中心处出现较大的下塔柱空心箱式上缘结构出现较大的x向拉应力,这是因为上部传下的轴力很大,且处于钢束弯起段的下方,而下方为空心箱室。

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                                     图3.6.8 下塔柱y向应力图(单位:kPa)

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                                    图3.6.9 下塔柱竖向应力图(单位:kPa)

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                                  图3.6.10 下塔柱主拉应力图(单位:kPa)


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