某鋼桁加勁梁斜拉橋索塔錨固區(qū)節(jié)段模型有限元分析

李　雁

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司　武漢　430063)

某鋼桁加勁梁斜拉橋索塔錨固區(qū)節(jié)段模型有限元分析

李雁

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司武漢430063)

摘要以某鋼桁加勁梁斜拉橋為背景，利用有限元軟件對索塔錨固區(qū)進行受力分析。通過增大預應力損失，分析比較混凝土索塔的受力情況。結果表明：混凝土索塔錨固區(qū)配置預應力是必要的。當預應力損失為40%時，使塔壁混凝土最大主拉應力大于容許主拉應力，開始產生裂縫。預應力損失的增加，使塔壁混凝土最大主壓應力減小，但均滿足規(guī)范的要求。塔壁混凝土在預應力束張拉、錨固端和斜拉索錨固端均表現為應力集中，應對其進行加強處理。

關鍵詞加勁梁斜拉橋索塔錨固區(qū)預應力損失有限元分析

在斜拉橋混凝土索塔的拉索錨固區(qū)，為平衡拉索傳遞的水平分力，并防止塔柱在使用荷載下出現過大裂縫，通常在索塔箱壁內設置U形環(huán)向預應力束。由于索塔尺寸的限制，預應力束曲線段半徑通常很小，其半徑在 1.5 m左右[1]。

目前，由于這種大噸位小半徑環(huán)向預應力彎曲角度比較大，其預應力損失也較大?？紤]施工過程中的種種因素，索塔錨固區(qū)U形環(huán)向預應力束的有效預應力較我國現行規(guī)范計算的要少[2-3]。本文以某鋼桁加勁梁斜拉橋為背景，利用有限元軟件對索塔錨固區(qū)進行建模分析[4]，進而確定預應力損失的極限值，為類似橋梁索塔U形環(huán)向預應力束的設置提供參考。

混凝土索塔縱橋方向壁厚為1.2 m，橫橋方向索塔壁厚為0.8 m。在2.5 m高度范圍內，布置4根U形環(huán)向預應力束，其平面布置示意見圖1。

圖1　混凝土索塔錨固區(qū)環(huán)向預應力束

1空間分析模型

1.1　有限元模型

計算采用Midas FEA程序，自索塔頂部到底部建立3個節(jié)段(3對索)局部模型，索塔混凝土采用體單元，預應力束采用鋼筋梁單元，未模擬普通鋼筋，模型共計18 140個節(jié)點，82 746個單元。節(jié)段全模型見圖2，預應力束模型見圖3。

圖2　索塔節(jié)段全模型

圖3　預應力束有限元模型

1.2　計算參數

(1) 混凝土。采用C50，根據相應規(guī)范取其材料參數。

(2) 荷載。自重及3個節(jié)段共計6根索力，采用主塔塔頂最大索力以實際空間角度按等效節(jié)點荷載施加于主塔錨固區(qū)，見表1。

表1　索力荷載參數表

(3) 邊界條件。由于模型節(jié)段一共3段，邊界對上面部分節(jié)段影響小，故采用節(jié)段模型底部固結的邊界約束條件。

1.3　荷載工況

考慮預應力損失，分別對各工況下主塔受力情況進行分析，荷載工況見表2。

表2　索塔混凝土預應力損失工況

1.4　容許應力

(1) 容許主拉應力。《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTGD62-2004)第6.3.1條，對于A類和B類預應力混凝土現場澆筑構件，在作用短期效應組合下，C50混凝土容許主拉應力為0.5ftk=0.5×2.65=1.33 MPa。

(2) 容許主壓應力。參考《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTGD62-2004)，C50混凝土容許主壓應力為0.6×32.4=19.44 MPa。

(3) 混凝土的正截面容許拉應力(名義拉應力)。參考《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTGD62-2004)第6.4.2條，部分預應力B類受彎構件的裂縫寬度，可用構件受拉邊混凝土的名義拉應力控制。鋼筋混凝土構件和B類預應力混凝土構件，其計算的最大裂縫寬度不應超過0.1 mm。

(4) 考慮到大跨度斜拉橋的重要性，裂縫寬度按0.1 mm限制。則對于C50混凝土預應力后張構件，構件高度大于1 m，混凝土容許名義拉應力為5.0×0.7=3.5 MPa，這個拉應力應該對應的是正截面拉應力。

依據上述分析，斜拉橋主塔塔壁C50混凝土容許應力見表3。

表3　C50混凝土容許應力　MPa

注：容許主壓應力和正截面容許拉應力供參考，不要求必須滿足。

2計算結果

為消除邊界條件的影響，從3個節(jié)段中取第一節(jié)段計算結果進行分析，以下各應力云圖單位均為MPa。由于篇幅限制，僅列出工況1、工況5和工況6的計算結果。

(1) 計算結果。工況1。塔壁主拉(壓)應力見圖4～圖7。

圖4　無預應力損失混凝土P1應力云圖

圖5　無預應力損失混凝土P3應力云圖

圖6　無預應力損失混凝土縱橋向應力云圖

圖7　無預應力損失混凝土橫橋向應力云圖

由圖4～圖7可見，在工況1情況下，除去應力集中位置，索塔最大第一主拉應力為0.14 MPa，發(fā)生在塔壁開孔位置附近。最大第三主壓應力為16.11 MPa，發(fā)生在斜拉索錨固位置附近。主塔長邊正中縱橋向應力為-7.51 MPa，主塔端邊邊跨側正中橫橋向應力為-1.10 MPa。

(2) 計算結果。工況5。塔壁主拉(壓)應力如圖8～圖11。

圖8　預應力損失40%時混凝土P1應力云圖

圖9　預應力損失40%時混凝土P3應力云圖

圖10　預應力損失40%混凝土縱橋向應力云圖

圖11　預應力損失40%混凝土橫橋向應力云圖

由圖8～圖11可見，在工況5情況下，除去應力集中位置，索塔最大第一主拉應力為1.33 MPa，發(fā)生在塔壁開孔位置附近。最大第三主壓應力為16.03 MPa，發(fā)生在斜拉索錨固位置附近。主塔長邊正中縱橋向應力為-3.87 MPa，主塔端邊邊跨側正中橫橋向應力為1.32 MPa。

(3) 計算結果。工況6。塔壁主拉(壓)應力見圖12～圖15。

圖12　預應力損失100%時混凝土P1應力

圖13　預應力損失100%時混凝土P3應力

圖14　預應力損失100%時混凝土縱橋向應力

圖15　預應力損失100%時混凝土橫橋向應力

由圖12～圖15可見，在工況6情況下，除去應力集中位置，索塔最大第一主拉應力為6.37 MPa，發(fā)生在塔壁開孔位置附近。最大第三主壓應力為15.82 MPa，發(fā)生在斜拉索錨固位置附近。主塔長邊正中縱橋向應力為2.89 MPa，主塔端邊邊跨側正中橫橋向應力為6.30 MPa。

(4) 計算結果比較。索塔混凝土各部分應力計算結果比較見表4(其中主拉、壓應力均去掉了應力集中值)。

表4　索塔混凝土各工況結果比較一覽表　MPa

注：-表示壓應力；+表示拉應力。

3結論

(1) 隨著預應力損失的增加，塔壁混凝土最大主拉應力增大，塔壁配置預應力是必要的。

(2) 當預應力損失為40%時，塔壁混凝土最大主拉應力為1.34 MPa，位于塔壁開孔位置附近，大于容許主拉應力1.33 MPa。

(3) 隨著預應力損失的增加，塔壁混凝土最大主壓應力減小，但幅度不大。各索塔混凝土最大主壓應力為16.11 MPa，滿足不超過0.6×32.4=19.44 MPa的規(guī)范要求。

(4) 塔壁混凝土在預應力束張拉、錨固端和斜拉索錨固端應力均集中，應對其進行加強處理。

參考文獻

[1]李國平.預應力混凝土結構設計原理[M].北京：人民交通出版社,2000.

[2]葉見曙.結構設計原理[M].北京:人民交通出版社,1997.

[3]蔡曉明,張立明,何歡.矮塔斜拉橋索鞍受力分析[J].公路交通科技,2006(3):53-55.

[4]丁淑蓉,阮江濤,佟景偉,等.預應力鋼索與索道孔壁接觸壓力的模擬研究[J].中國公路學報,2005(10):59-61.

收稿日期：2015-01-29

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.009