斜拉橋橋塔錨固區(qū)受力分析

陳自福

(安徽省交通投資集團(tuán))

0 引言

斜拉索在橋塔中的錨固多采用環(huán)向預(yù)應(yīng)力、鋼錨箱和鋼錨梁幾種錨固方法。其中已建和在建的斜拉橋中，普遍采用混凝土橋塔，橋塔為主要受力構(gòu)件，橋塔上的拉索錨固部位是一個(gè)將拉索的局部集中力安全、均勻地傳送到塔柱的重要受力構(gòu)造，其受力狀況是否合理是大橋建成后能否正常運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵。因此，拉索錨固位置也是施工過程中需要控制的關(guān)鍵工序。

環(huán)向預(yù)應(yīng)力的拉索錨固形式斜拉索的水平力均需要橋塔混凝土壁板來承受，混凝土壁板的受力較鋼錨箱、鋼錨梁更為不利。鋼錨箱主要依靠自身的側(cè)面拉板承受水平力，混凝土壁板承受部分水平力;而鋼錨梁則是獨(dú)立的拉索錨固構(gòu)建，拉索水平力全部依靠鋼錨梁自身平衡不直接作用在混凝土塔壁上。本文分別以采用環(huán)向預(yù)應(yīng)力、鋼錨箱的兩種混凝土斜拉橋橋塔拉索錨固區(qū)為研究對(duì)象，應(yīng)用大型通用有限元程序ANSYS，對(duì)索塔錨固區(qū)進(jìn)行了空間仿真分析，揭示其受力特點(diǎn)，為施工技術(shù)人員提供參考。

1 采用混凝土錨塊的橋塔拉索錨固區(qū)受力分析

該類橋塔，為平衡拉索在索塔上塔柱的拉索錨固區(qū)段產(chǎn)生的拉應(yīng)力，一般采用大噸位、小半徑的環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束布置。在斜拉索和環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束的作用下，塔柱受力復(fù)雜且局部應(yīng)力集中現(xiàn)象非常明顯，因此應(yīng)進(jìn)行局部應(yīng)力分析，揭示該區(qū)域的受力特征和應(yīng)力分布規(guī)律對(duì)施工技術(shù)人員理解該類結(jié)構(gòu)有著重大意義。

1.1 工程實(shí)例

某斜拉橋主橋橋型采用123 m+75 m的獨(dú)塔雙索面斜拉橋方案，塔、梁、墩固結(jié)，不設(shè)置輔助墩。主塔采用“八”形索塔，兩個(gè)直立塔柱;主梁采用分離式箱形混凝土主梁;斜拉索采用空間扇形雙索面;主塔基礎(chǔ)、邊墩基礎(chǔ)均為鉆孔樁基礎(chǔ);主要施工工藝為主塔爬模施工、主跨主梁采用懸臂澆筑施工、邊跨主梁采用移動(dòng)支架現(xiàn)澆施工。

1.2 有限元分析模型

(1)幾何模擬。

由于塔頂部位斜拉索索力最大且傾角小，水平拉力大，因此選則橋塔上半段作為分析對(duì)象。利用通用有限元軟件Ansys建立空間有限原模型，采用實(shí)體單元solid95進(jìn)行網(wǎng)格劃分。有限元模型高18.0 m，共計(jì)14.9萬個(gè)單元，23.0萬個(gè)節(jié)點(diǎn)。

(2)材料參數(shù)。

索塔混凝土均采用C55，計(jì)算過程中彈性模量取3.55×104MPa，波松比1/6，軸心抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度 24.4 MPa，軸心抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度1.89 MPa。預(yù)應(yīng)力鋼絞線的彈性模量取1.95×105MPa，波松比 0.3;平行鋼絲的彈性模量取 2.05×105MPa，波松比 0.3。

(3)預(yù)應(yīng)力模擬。

主塔拉索錨固區(qū)節(jié)段受力復(fù)雜，且存在諸多不確定因素，如小半徑環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋預(yù)應(yīng)力損失難以準(zhǔn)確計(jì)算。計(jì)算過程中結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)上述不確定因素進(jìn)行了符合實(shí)際工程計(jì)算精度所需的假定，力求在簡(jiǎn)單、適用、合理的前提下，對(duì)索塔錨固區(qū)的空間應(yīng)力場(chǎng)的分布進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。用link8單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋，采用施加初應(yīng)變的方法模擬預(yù)應(yīng)力。對(duì)于預(yù)應(yīng)力直束采用PES7-61的規(guī)格，考慮85%的有效預(yù)應(yīng)力，施加初應(yīng)變4.893×10-3;對(duì)于環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用φ15～19的規(guī)格，考慮80%的有效預(yù)應(yīng)力，施加初應(yīng)變5.723 × 10-3。

(4)邊界條件。

為了準(zhǔn)確模擬斜拉橋索塔錨固區(qū)模型的邊界條件，模擬下塔柱對(duì)計(jì)算節(jié)段的約束作用。將模型節(jié)段底面的所有節(jié)點(diǎn)的Z(豎向)方向進(jìn)行約束，X(順橋向)和Y(橫橋向)均用彈簧單元模擬下塔柱對(duì)計(jì)算節(jié)段的約束。彈簧剛度通過在Midas Civil空間桿系程序中獲得，橫橋向剛度為2.726×10-6(N/mm)，順橋向剛度為3.976×10-6(N/mm)。采用了1/2模型，在橫橋向橋塔中線處施加了對(duì)稱約束，通過對(duì)稱約束的施加能夠真實(shí)模擬索塔計(jì)算節(jié)段的受力特性。

1.3 荷載施加

索塔計(jì)算節(jié)段的混凝土的容重按照26 kN/m3計(jì)算，索塔頂面部分的混凝土重量按照均布力的形式施加，索塔計(jì)算節(jié)段頂面部分總重為984 672 N;拉索索力以集中力的形式施加到各個(gè)拉索錨點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置。

1.4 計(jì)算工況

分析過程中采用了三個(gè)工況：工況1：僅張拉索塔預(yù)應(yīng)力鋼束工況;工況2：成橋索力作用工況;工況3：活載作用下最不利工況。

1.5 計(jì)算結(jié)果

(1)工況1

從應(yīng)力云圖3可以看出除了預(yù)應(yīng)力錨固點(diǎn)以及斜拉索錨下應(yīng)力失真區(qū)域的主應(yīng)力超過JTG D62-2004規(guī)定的短期荷載組合作用下的A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件主應(yīng)力允許值范圍-21.3～1.37 MPa之外，其他部位應(yīng)力值基本滿足規(guī)范要求。最大主拉應(yīng)力值不超過1.5 MPa。同時(shí)可以看出，橋塔長(zhǎng)邊塔壁和短邊塔壁內(nèi)外側(cè)橫向正應(yīng)力水平較低，最大拉應(yīng)力力0.05 MPa，最小壓應(yīng)力小于1.0 MPa。

(2)工況2

從應(yīng)力云圖4可以看出短期荷載組合作用下橋塔混凝土主應(yīng)力值基本在-21.3～1.37 MPa之間，滿足規(guī)范要求。同時(shí)可以看出，橋塔長(zhǎng)邊塔壁和短邊塔壁外側(cè)絕大部分區(qū)域的橫向正應(yīng)力計(jì)算值在JTG D62-2004規(guī)定的短期荷載組合作用下的A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件允許值范圍-17.75～1.918 MPa之內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

(3)工況3

從橋塔塔壁長(zhǎng)邊和短邊內(nèi)外側(cè)主應(yīng)力云圖5、6可以看出橋塔長(zhǎng)邊塔壁和短邊塔壁內(nèi)外側(cè)絕大部分區(qū)域的主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力計(jì)算值滿足JTG D62-2004要求。局部角隅處正應(yīng)力偏大，主要是由于模擬錨下應(yīng)力失真引起，不影響結(jié)構(gòu)正常使用性能。同時(shí)可以看出，橋塔長(zhǎng)邊塔壁和短邊塔壁內(nèi)外側(cè)絕大部分區(qū)域的橫向正應(yīng)力計(jì)算值滿足JTG D62-2004要求。局部角隅處正應(yīng)力偏大，主要是由于模擬錨下應(yīng)力失真引起，不影響結(jié)構(gòu)正常使用性能。

圖1 工況1塔壁內(nèi)側(cè)主應(yīng)力云圖

圖2 工況1塔壁外側(cè)主應(yīng)力云圖

圖3 工況2塔壁內(nèi)側(cè)主應(yīng)力云圖

圖4 工況3塔壁外側(cè)主應(yīng)力云圖

2 采用鋼錨箱的橋塔拉索錨固區(qū)受力分析

該類橋塔，鋼錨箱主要由側(cè)面拉板、端部承壓板、腹板、錨板、錨墊板、橫隔板、連接板、加勁肋等部分組成。其受力特點(diǎn)是：兩側(cè)斜拉索的水平分力大部分由錨箱的側(cè)面拉板承受，塔柱也承受部分水平分力;斜拉索豎向分力主要通過錨箱端部的剪力釘傳遞到塔柱混凝土上。

2.1 工程實(shí)例

某鋼箱梁斜拉橋，主塔采用倒Y形，包括上塔柱、中塔柱、下塔柱和下橫梁。塔柱采用空心箱形斷面，索塔錨索區(qū)最終采用鋼錨箱錨固。斜拉索索力通過錨墊板和錨箱腹板傳至拉板，大部份水平力由拉板承受;錨箱節(jié)段最小高度2 300 mm，主拉板厚度40 mm，高1 300 mm，為方便施工，在拉板上設(shè)置高1 000 mm的孔洞;在兩塊拉板之間設(shè)置橫隔板，其主要作用是對(duì)拉板產(chǎn)生加勁，兼做斜拉索施工時(shí)的平臺(tái)，橫隔板為厚度10 mm帶肋鋼板，上面開有人孔。鋼錨箱與索塔之間依靠剪力釘連接并承擔(dān)斜拉索的豎向分力，剪力釘采用直徑22 mm的圓頭焊釘，長(zhǎng)200 mm，間距通過計(jì)算確定。錨箱節(jié)段之間工地連接采用焊接連接。

2.2 有限元分析模型

(1)幾何模擬。

為準(zhǔn)確計(jì)算錨索區(qū)的應(yīng)力分布情況，模型取塔頂斷面尺寸小，索力最大的五個(gè)連續(xù)節(jié)段加上A34斜拉索節(jié)段以上的一個(gè)2.3 m高節(jié)段，共六個(gè)節(jié)段進(jìn)行計(jì)算模擬。六個(gè)節(jié)段的模型尺寸、鋼套筒位置、斜拉索傾角均按取自塔頂最大索力節(jié)段。由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，荷載對(duì)稱，為減少模型節(jié)點(diǎn)數(shù)量，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，結(jié)構(gòu)可取1/4來計(jì)算。計(jì)算模型見圖5。

圖5 鋼錨箱索塔錨索區(qū)1/4模型

(2)材料參數(shù)。

索塔混凝土均采用C50，計(jì)算過程中彈性模量取3.50×104MPa，波松比1/6，軸心抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度 22.4 MPa，軸心抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度1.83 MPa。鋼板的彈性模量取2.06×105MPa，波松比0.3?；炷敛捎萌S實(shí)體單元solid65;80 mm厚的鋼墊板采用三維實(shí)體元solid45;其它鋼錨箱鋼板均采用三維板殼元shell93。

圖6 錨索區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)分布圖

(3)邊界條件。

底層節(jié)點(diǎn)豎向Z方向位移被約束，底面?zhèn)认虻目雇苿偠扔?jì)算同1.2.4。順橋向中心斷面上的節(jié)點(diǎn)順橋向X方向采用對(duì)稱約束，橫橋向中心斷面節(jié)點(diǎn)Y方向也采用對(duì)稱約束。

2.3 荷載施加

在模型的鋼墊板的面上施加均布力，沿從上至下豎向分別施加J34～J30索力。索力施加值見下表1。

表1 鋼墊板索力施加表

2.4 計(jì)算工況

采用鋼錨箱的索塔拉索錨固區(qū)分析過程側(cè)重點(diǎn)與采用環(huán)向預(yù)應(yīng)力的索塔錨固區(qū)略有不同。本次分析過程中采用五個(gè)工況，分別如下。

工況1：混凝土收縮(降溫15℃);

工況2：成橋索力施加;

工況3：最大極值索力施加;

組合一：工況1+工況2;

組合二：工況1+工況3。

2.5 計(jì)算結(jié)果

(1)錨索區(qū)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

計(jì)算給出錨索區(qū)共六個(gè)節(jié)段控制斷面上特征點(diǎn)處的應(yīng)力，混凝土結(jié)構(gòu)上的特征點(diǎn)分布見圖6，圖6的座標(biāo)系與圖7中的座標(biāo)系相同。計(jì)算結(jié)果描述如下。

工況1僅在收縮完成后，順橋向控制斷面外側(cè)1～13節(jié)點(diǎn)壓應(yīng)力為-0.7～-0.8 MPa左右;內(nèi)側(cè)21～33節(jié)點(diǎn)拉應(yīng)力為1.5～1.7 MPa左右。工況2僅在成橋索力作用下，順橋向控制斷面外側(cè)1～13節(jié)點(diǎn)壓應(yīng)力集中在-2.0 MPa左右，極值為-2.49 MPa;內(nèi)側(cè)21～33節(jié)點(diǎn)拉應(yīng)力集中在3.0 MPa左右，極值為3.73 MPa。工況3僅在最大索力作用下，順橋向控制斷面外側(cè)1～13節(jié)點(diǎn)壓應(yīng)力集中在-2.5 MPa左右，極值為-3.02 MPa;內(nèi)側(cè)21～33節(jié)點(diǎn)拉應(yīng)力集中在4.0 MPa左右，極值為4.61 MPa。在組合1作用下，順橋向控制斷面外側(cè)1～13節(jié)點(diǎn)壓應(yīng)力集中在-2.7 MPa左右，極值為-3.29 MPa;內(nèi)側(cè)21～33節(jié)點(diǎn)拉應(yīng)力集中在5.0 MPa左右，極值為5.52 MPa。在組合2作用下，順橋向控制斷面外側(cè)1～13節(jié)點(diǎn)壓應(yīng)力集中在-3.5 MPa左右，極值為-3.82 MPa;內(nèi)側(cè)21～33節(jié)點(diǎn)拉應(yīng)力集中在5.5 MPa左右，極值為6.36 MPa。由于橫橋向控制斷面內(nèi)側(cè)61～73節(jié)點(diǎn)受錨箱頂?shù)?0 mm厚鋼板的影響，橫橋向應(yīng)力分布極不均勻。工況1僅在收縮完成后，橫橋向控制斷面外側(cè)41～53節(jié)點(diǎn)拉應(yīng)力為0.9 MPa左右;內(nèi)側(cè)61～73節(jié)點(diǎn)拉應(yīng)力為2.0 MPa左右。工況2僅在成橋索力作用下，橫橋向控制斷面外側(cè)41～53節(jié)點(diǎn)拉應(yīng)力集中在5.0 MPa左右，極值為5.64 MPa;內(nèi)側(cè)61～73節(jié)點(diǎn)壓應(yīng)力在-0.8 MPa左右。工況3僅在最大索力作用下，橫橋向控制斷面外側(cè)41～53節(jié)點(diǎn)拉應(yīng)力集中在6.0 MPa左右，極值為6.9 MPa;內(nèi)側(cè)61～73節(jié)點(diǎn)壓應(yīng)力在-0.9 MPa左右。在組合1作用下，橫橋向控制斷面外側(cè)41～53節(jié)點(diǎn)拉應(yīng)力集中在6.0 MPa左右，極值為6.73 MPa;內(nèi)側(cè)61～73節(jié)點(diǎn)拉應(yīng)力在1.2 MPa左右。在組合2作用下，橫橋向控制斷面外側(cè)41～53節(jié)點(diǎn)拉應(yīng)力集中在7.0 MPa左右，極值為7.99 MPa;內(nèi)側(cè)61～73節(jié)點(diǎn)拉應(yīng)力在1.3 MPa左右。

(2)錨索區(qū)鋼錨箱應(yīng)力。

鋼錨箱拉板N1和橫隔板計(jì)算給出錨索區(qū)共五個(gè)節(jié)段控制斷面上特征點(diǎn)處的應(yīng)力，N1鋼板和橫隔板上的特征點(diǎn)分布見圖7。各種荷載作用下N1鋼板和橫隔板順橋向正應(yīng)力見表2。

表2 N1鋼板和橫隔板特征點(diǎn)順橋向正應(yīng)力表MPa

從計(jì)算結(jié)果來看，不考慮收縮徐變，工況2成橋索力作用下，N1拉板最大拉應(yīng)力87.8 MPa;考慮收縮徐變，工況2成橋索力作用下，N1拉板最大拉應(yīng)力70.0 MPa。不考慮收縮徐變，工況3最大索力作用下，N1拉板最大拉應(yīng)力107.7 MPa;考慮收縮徐變，工況2成橋索力作用下，N1拉板最大拉應(yīng)力90.0 MPa。

圖7 N1鋼板上的特征點(diǎn)分布

圖8 工況2作用下鋼錨箱von Mises應(yīng)力

鋼錨箱其他鋼板在工況2、工況3作用下順橋向正應(yīng)力圖、橫橋向正應(yīng)力和von Mises應(yīng)力圖限于篇幅不一一列出。從圖10中可以看出，除N8鋼板與N1鋼板連接的上下角處、橫隔板板與N1鋼板連接的邊角處出現(xiàn)較大應(yīng)力集中現(xiàn)象外，其他鋼板應(yīng)力水平均不高。

3 結(jié)語

(1)斜拉橋索塔拉索錨固區(qū)受力分析時(shí)要根據(jù)索采用的錨固形式如環(huán)向預(yù)應(yīng)力、鋼錨箱和鋼錨梁有針對(duì)性的進(jìn)行精細(xì)化模擬和選擇分析工況，才能準(zhǔn)確掌握它的受力特性。對(duì)于環(huán)向預(yù)應(yīng)力的錨固形式，模擬的重點(diǎn)是環(huán)向預(yù)應(yīng)力;對(duì)于鋼錨箱或者鋼錨梁模擬的重點(diǎn)則是鋼錨箱或者鋼錨梁。

(2)通過分析可以看出在混凝土橋塔塔壁內(nèi)側(cè)角隅位置容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，塔壁施工過程中要控制好角隅位置鋼筋間距、定位，加強(qiáng)角隅位置的混凝土振搗，確保角隅位置施工質(zhì)量，不留安全隱患。

(3)通過分析可以看出鋼錨箱的拉板位置應(yīng)力集中程度嚴(yán)重，施工過程中需要注意對(duì)鋼錨箱拉板位置的保護(hù)，不要產(chǎn)生意外碰撞或劃傷，給結(jié)構(gòu)造成先天損傷。

(4)斜拉索錨固區(qū)應(yīng)力分析過程中在計(jì)算速度能夠保證的前提下適宜多取幾個(gè)塔柱節(jié)段進(jìn)行分析，重點(diǎn)查看中間區(qū)段的應(yīng)力可以有效避免邊界條件引起的模擬失真，保證結(jié)算結(jié)果的可靠性。

(5)索塔節(jié)段應(yīng)力分析過程中為了準(zhǔn)確模擬邊界條件，可以通過彈簧模擬下塔柱對(duì)計(jì)算節(jié)段的約束作用，彈簧的剛度由下塔柱的抗推剛度模擬。同時(shí)為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，可以采用1/2模型或者1/4模型，在對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束即可。

(6)通過計(jì)算分析采用環(huán)向預(yù)應(yīng)力和鋼錨箱都可以使橋塔處在良好的受力狀態(tài)，應(yīng)該根據(jù)橋梁跨徑、結(jié)構(gòu)受力和施工難易程度在環(huán)向預(yù)應(yīng)力、鋼錨箱和鋼錨梁之間選擇合理的橋塔拉索錨固形式。

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［2］鐵道部大橋工程局橋梁科學(xué)研究所.斜拉橋［M］.北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1992.

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