某橋下塔柱實(shí)體分析計(jì)算書(shū)

目 錄

CALCULATION DOCUMENT ........................................................................... 1

1.概述 ............................................................................................................................ 2

2.計(jì)算原則 .................................................................................................................... 3

2.1永久作用 ............................................................................................................................ 3

2.2其他作用 ............................................................................................................................ 4

2.3施工階段劃分 .................................................................................................................... 5

2.3作用短期效應(yīng)下的不利組合 ............................................................................................ 5

3. 施工階段計(jì)算結(jié)果 ................................................................................................ 6

3.1 施工階段1——下塔柱施工，第一次張拉預(yù)應(yīng)力 ........................................................ 6

3.2 施工階段3——上塔柱施工到1/2 .................................................................................. 7

3.3 施工階段4——第二次張拉預(yù)應(yīng)力 ................................................................................ 7

3.4 施工階段5——11#索張拉完畢 ...................................................................................... 7

3.5 施工階段6——第三次張拉預(yù)應(yīng)力 ................................................................................ 8

3.6 施工階段8——恒載（成橋10年） .............................................................................. 8

3.7 小結(jié) ................................................................................................................................ 11

4. 作用短期效應(yīng)下的不利組合1~4 ........................................................................ 11

4.1 組合1——順、橫橋向彎矩、順、橫橋向水平力較大 .............................................. 11

4.2 組合2——順橋向水平力、橫橋向彎矩最大 .............................................................. 14

5. 其他 ...................................................................................................................... 18

5.1 溫度引起的應(yīng)力 ............................................................................................................. 18

5.2 只受壓?jiǎn)卧c實(shí)體單元不協(xié)調(diào) ..................................................................................... 19

6. 結(jié)論 ...................................................................................................................... 19

1.概述

索塔的下塔柱受力情況比較復(fù)雜，故建立實(shí)體模型，計(jì)算其在短期作用組合下和施工階段的應(yīng)力狀況。導(dǎo)入模型的結(jié)構(gòu)包括5m長(zhǎng)樁基、下塔柱、下橫梁、承臺(tái)、中塔柱和上橫梁。

計(jì)算軟件采用Ansys 10.0，在模型中混凝土用四面體單元模擬，預(yù)應(yīng)力筋用桁架單元模擬。

                                         圖1.1 縱橋向視圖

模型中的實(shí)體如圖1.1所示。實(shí)體包括5m長(zhǎng)的樁基、承臺(tái)、下塔柱、下橫梁、中塔柱和上橫梁。下橫梁縱橋向3道豎墻的厚度分別為1.0m、0.6m、1.0m；下橫梁頂板厚度為1.2~0.9m。下塔柱坡度1:4，中塔柱坡度1:5.026。在模型中，一排只受壓?jiǎn)卧獊?lái)模擬此豎向支承作用。只受壓?jiǎn)卧嫌?jì)面積等于豎墻橫截面，材料特性與混凝土相同。

橫橋向豎墻在成橋后澆注。

                                     圖1.2 有限元模型網(wǎng)格劃分和邊界條件

坐標(biāo)系：與Midas總體模型坐標(biāo)系相同，即縱橋向?yàn)閤坐標(biāo)，橫橋向?yàn)閥坐標(biāo)，豎向?yàn)閦坐標(biāo)。坐標(biāo)原點(diǎn)在承臺(tái)頂面中心。

邊界條件：約束樁基底部所有節(jié)點(diǎn)的3個(gè)方向的位移。

圖1.3 預(yù)應(yīng)力在塔壁上的錨固位置

預(yù)應(yīng)力采用GB/T5224-2003高強(qiáng)度鋼絞線，II級(jí)松弛，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1860MPa， 彈性模量Es=1.95×105MPa，每束預(yù)應(yīng)力為19-sφ15.2鋼絞線。圖1.3所示的為預(yù)應(yīng)力筋在塔壁上的錨固位置。相鄰預(yù)應(yīng)力筋橫橋向標(biāo)準(zhǔn)距離為50cm，豎向的標(biāo)準(zhǔn)距離為39cm。預(yù)應(yīng)力筋共有33束。

預(yù)應(yīng)力筋布置受到空間的制約。在滿足錨固空間和局部承壓的基礎(chǔ)上，盡量可能將預(yù)應(yīng)力往上布置，以較小對(duì)勁性骨架的影響。此外，為了方便預(yù)應(yīng)力定位和避免與橫橋向鋼筋沖突，預(yù)應(yīng)力筋只進(jìn)行豎彎。

                                        圖1.4 預(yù)應(yīng)力筋布置及網(wǎng)格劃分

2.計(jì)算原則

2.1永久作用

1.結(jié)構(gòu)重力

混凝土：

容重26KN/m3 （強(qiáng)度等級(jí)C50 彈性模量 3.45×104MPa）

預(yù)應(yīng)力筋：

容重79KN/m3 （彈性模量 1.95×105MPa）

2.預(yù)應(yīng)力作用

在作用短期效應(yīng)組合下，按照D62規(guī)范，不考慮分批張拉的損失（計(jì)算中已經(jīng)考慮），偏保守計(jì)算得第一、三批預(yù)應(yīng)力永存應(yīng)力在1200~1100MPa（鋼束的應(yīng)力不均，彎起段結(jié)束處應(yīng)力最小，反摩擦計(jì)算終點(diǎn)應(yīng)力最大）；第二批預(yù)應(yīng)力永存應(yīng)力在1220~1140MPa。使用階段，鋼束應(yīng)力變化不大。對(duì)所有鋼束，賦予初應(yīng)力1150MPa。

在施工階段，在計(jì)算塔根的豎向拉應(yīng)力時(shí)，張拉當(dāng)批預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力初應(yīng)力取1320MPa，之前批次張拉的預(yù)應(yīng)力初應(yīng)力取1230MPa；在計(jì)算下橫梁中橫橋向正應(yīng)力時(shí)，預(yù)應(yīng)力初應(yīng)力取1150MPa。

2.2其他作用

1.支座作用力：

以節(jié)點(diǎn)荷載形式施加，力包括豎向力。作用的節(jié)點(diǎn)為支座范圍所有節(jié)點(diǎn)，作用力大小為支反力除以支座范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)。提取多個(gè)施工階段和短期作用組合的支反力，作為支座作用力。

2.整體溫度：

如圖2.1所示，承臺(tái)頂面以下2.5m的結(jié)構(gòu)，賦予整體溫度-20℃；承臺(tái)頂面以下2.5m至承臺(tái)頂面，溫度線性變化，從-20℃~-30℃；承臺(tái)以上結(jié)構(gòu)的外表面，賦予整體溫度-30℃。

                                圖2.1 溫度分布圖（整體+索塔橫橋向梯度溫度）

3.梯度溫度：

橫橋向梯度溫度與整體模型相同；順橋向梯度溫度作用用作用在中塔柱上端的荷載等效。（橫橋向梯度溫度產(chǎn)生的效應(yīng)在框架內(nèi)，順橋向梯度溫度作用產(chǎn)生的效應(yīng)在框架外；故橫橋向梯度溫度通過(guò)溫度場(chǎng)施加，順橋向梯度溫度效應(yīng)用荷載等效。）

4.中塔柱頂端的力邊界條件：（作用短期效應(yīng)組合下）

作用力有：豎向力、橫橋向水平力、橫橋向彎矩、縱橋向水平力、縱橋向彎矩。選取多個(gè)節(jié)點(diǎn)，用力等效原則施加節(jié)點(diǎn)力和力矩。

5.風(fēng)荷載及施工中預(yù)頂力

按照中塔柱根部產(chǎn)生同樣彎矩和剪力的原則，將作用在面上的風(fēng)荷載等效成作用在中塔柱多個(gè)節(jié)點(diǎn)力。按照同樣的原則，用多個(gè)節(jié)點(diǎn)力代替施工中的預(yù)頂力。

2.3施工階段劃分

階段1：激活承臺(tái)、下塔柱的單元，張拉鋼束N1(共5束)；

階段2：激活中塔柱的單元，施加預(yù)頂力（參考midas整體模型）

階段3：激活上橫梁的單元，施加上橫梁預(yù)應(yīng)力，釋放預(yù)頂力；施加上橫梁后到主塔上塔柱完成1/2（未考慮施工荷載）施工階段，上塔柱傳給中塔柱的力；

階段4：第二次張拉預(yù)應(yīng)力，張拉鋼束N2(共10束)；

階段5：施加從階段4到第11#索張拉完畢施工階段，上塔柱傳給中塔柱的力（增加的部分）；

階段6：第三次張拉預(yù)應(yīng)力，張拉鋼束N3(共18束)；

階段7：成橋施工階段（不考慮10年收縮徐變），將此階段內(nèi)力與階段5施工階段內(nèi)力差，作用到結(jié)構(gòu)上；

階段8：成橋施工階段（考慮10年收縮徐變），將此階段內(nèi)力與階段7施工階段內(nèi)力差，作用到結(jié)構(gòu)上。

2.3作用短期效應(yīng)下的不利組合

在上塔柱下部節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力作為荷載，施加在中塔柱上端。此內(nèi)力可以分為軸力（豎向力）、水平力（順橋向、橫橋向）和彎矩（順橋向、橫橋向）。

工況一：軸力（絕對(duì)值）最大組合

工況二：軸力（絕對(duì)值）最小組合

工況三：順橋向水平力（絕對(duì)值）最大組合

工況四：橫橋向彎矩（絕對(duì)值）最大組合

工況五：橫橋向水平力最大組合

工況六：橫橋向水平力最小組合

工況七：順橋向彎矩最大組合

工況七：順橋向彎矩最小組合

在作用短期效應(yīng)組合下，橫橋向水平力最大、最小組合實(shí)際上是同一個(gè)工況，因?yàn)橐粋€(gè)塔柱水平力大，必然另一個(gè)塔柱水平力小；橫橋向水平力和順橋向彎矩直接相關(guān)；順橋向水平力和橫橋向彎矩直接相關(guān)。最終選取的4個(gè)組合為如下受力狀況：

組合1：其中兩個(gè)塔柱順橋向彎矩（力矩方向）、橫橋向水平力較大，橫橋向彎矩（力矩方向）、順橋向水平力較大；

組合2：其中兩個(gè)塔柱橫橋向彎矩（力矩方向）、順橋向水平力最大；

組合3：軸力（絕對(duì)值）較小，其中一個(gè)塔柱順橋向彎矩（力矩方向）、橫橋向水平力取最大；

組合4：軸力（絕對(duì)值）最大

3. 施工階段計(jì)算結(jié)果

3.1 施工階段1——下塔柱施工，第一次張拉預(yù)應(yīng)力

階段1中，激活樁基、承臺(tái)、下塔柱的單元，張拉鋼束N1，鋼束初應(yīng)力1320MPa。在整體坐標(biāo)下，下塔柱塔根豎向正應(yīng)力見(jiàn)圖3.1.1。

                           圖3.1.1 下塔柱塔根豎向應(yīng)力圖（單位：kPa）

根據(jù)圖3.1.1，在施工階段1：塔根出現(xiàn)豎向拉應(yīng)力，豎向拉應(yīng)力不大于1.6MPa，在塔根位置出現(xiàn)1.1~1.6MPa的豎向壓應(yīng)力。

3.2 施工階段3——上塔柱施工到1/2

階段2中，激活中塔柱，施加預(yù)訂力；

階段3中，激活上橫梁，施加1/2上塔柱自重(未考慮施工荷載)，釋放預(yù)頂力，施加預(yù)應(yīng)力。(鋼束初應(yīng)力1150MPa)

在整體坐標(biāo)下，下橫梁橫橋向正應(yīng)力如圖3.2.1所示。

                                 圖3.2.1 下橫梁橫橋向正應(yīng)力圖（單位：kPa）

根據(jù)圖3.2.1，在施工階段3：橫梁中絕大多數(shù)區(qū)域橫橋向拉應(yīng)力不大于1MPa，在縱橋向三道豎墻上方出現(xiàn)0.5~0.95MPa的橫橋向拉應(yīng)力（支點(diǎn)負(fù)彎矩產(chǎn)生）。

3.3 施工階段4——第二次張拉預(yù)應(yīng)力

階段4中，張拉鋼束N2，鋼束N2的初應(yīng)力為1320MPa，鋼束N1的初應(yīng)力為1230MPa。在整體坐標(biāo)下，下塔柱塔根豎向正應(yīng)力見(jiàn)圖3.3.1。

圖3.3.1 下塔柱塔根豎向應(yīng)力圖（單位：kPa）

根據(jù)圖3.3.1，在施工階段4：塔根出現(xiàn)豎向拉應(yīng)力，豎向拉應(yīng)力不大于1.5MPa，在塔根部位置出現(xiàn)0.6~1.44MPa的豎向拉應(yīng)力。

3.4 施工階段5——11#索張拉完畢

將主塔施工完成1/2與11#索張拉后上塔柱底的內(nèi)力差施加在中塔柱上緣。在整體坐標(biāo)下，下橫梁的正應(yīng)力如圖3.4.1所示。(鋼束初應(yīng)力1150MPa)

圖3.4.1 下橫梁橫橋向正應(yīng)力圖（單位：kPa）

根據(jù)圖3.4.1，在施工階段5：橫梁中中橫橋向拉應(yīng)力一般不大于0.9MPa，在縱橋向三道豎墻上方、塔柱與橫梁連接處出現(xiàn)0.2~0.9MPa的橫橋向拉應(yīng)力（支點(diǎn)負(fù)彎矩產(chǎn)生）。

3.5 施工階段6——第三次張拉預(yù)應(yīng)力

階段6中，張拉鋼束N3，鋼束N3的初應(yīng)力為1320MPa，鋼束N2、N1的初應(yīng)力為1230MPa。。在整體坐標(biāo)下，下塔柱塔根豎向正應(yīng)力見(jiàn)圖3.5.1。

圖3.5.1 下塔柱塔根豎向應(yīng)力圖（單位：kPa）

根據(jù)圖3.5.1，在施工階段6：塔根出現(xiàn)豎向拉應(yīng)力，豎向拉應(yīng)力一般不大于1.4MPa，在塔根部位置出現(xiàn)0~1.33MPa的豎向拉應(yīng)力。

3.6 施工階段8——恒載（成橋10年）

階段8中，將midas總體模型中，在中塔柱頂部節(jié)點(diǎn)在施工階段7（成橋0年）與施工階段8內(nèi)力差，作為外荷載，作用在實(shí)體模型上端。下橫梁與下塔柱的應(yīng)力狀態(tài)如圖所示。

                              圖3.6.1 z=10.2切面橫橋向正應(yīng)力圖（單位：kPa）

                          圖3.6.2 z=9切面橫橋向正應(yīng)力圖（單位：kPa）

                        圖3.6.3 z=8.5切面橫橋向正應(yīng)力圖（單位：kPa）

                                圖3.6.4 z=0.8切面豎向正應(yīng)力圖1（單位：kPa）

                               圖3.6.5 z=0.8切面豎向正應(yīng)力圖2（單位：kPa）

                           圖3.6.6 下塔柱空心箱室上緣結(jié)構(gòu)x向應(yīng)力圖（單位：kPa）

根據(jù)圖3.6.1~3.6.6，在成橋后時(shí)間點(diǎn)，在橫橋向，下橫梁處于全受壓狀態(tài)；下塔柱塔根不存在豎向拉應(yīng)力，下塔柱遠(yuǎn)離道路中心線和靠近道路中心側(cè)豎向壓力比較均勻，截面絕大部分豎向壓應(yīng)力在-3~-7MPa之間；下塔柱中心處出現(xiàn)較大的下塔柱空心箱式上緣結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大的x向拉應(yīng)力，這是因?yàn)樯喜總飨碌妮S力很大，且處于鋼束彎起段的下方，而下方為空心箱室。

                                      圖3.6.7 下塔柱x向應(yīng)力圖（單位：kPa）

                                      圖3.6.8 下塔柱y向應(yīng)力圖（單位：kPa）

                                     圖3.6.9 下塔柱豎向應(yīng)力圖（單位：kPa）

                                   圖3.6.10 下塔柱主拉應(yīng)力圖（單位：kPa）

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