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(shè)計(jì)院集團(tuán)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(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司武漢430063)

摘要以某鋼桁加勁梁斜拉橋?yàn)楸尘?，利用有限元軟件?duì)索塔錨固區(qū)進(jìn)行受力分析。通過增大預(yù)應(yīng)力損失，分析比較混凝土索塔的受力情況。結(jié)果表明：混凝土索塔錨固區(qū)配置預(yù)應(yīng)力是必要的。當(dāng)預(yù)應(yīng)力損失為40%時(shí)，使塔壁混凝土最大主拉應(yīng)力大于容許主拉應(yīng)力，開始產(chǎn)生裂縫。預(yù)應(yīng)力損失的增加，使塔壁混凝土最大主壓應(yīng)力減小，但均滿足規(guī)范的要求。塔壁混凝土在預(yù)應(yīng)力束張拉、錨固端和斜拉索錨固端均表現(xiàn)為應(yīng)力集中，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行加強(qiáng)處理。

關(guān)鍵詞加勁梁斜拉橋索塔錨固區(qū)預(yù)應(yīng)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(xiàn)過大裂縫，通常在索塔箱壁內(nèi)設(shè)置U形環(huán)向預(yù)應(yīng)力束。由于索塔尺寸的限制，預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力彎曲角度比較大，其預(yù)應(yīng)力損失也較大。考慮施工過程中的種種因素，索塔錨固區(qū)U形環(huán)向預(yù)應(yīng)力束的有效預(yù)應(yīng)力較我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算的要少[2-3]。本文以某鋼桁加勁梁斜拉橋?yàn)楸尘?，利用有限元軟件?duì)索塔錨固區(qū)進(jìn)行建模分析[4]，進(jìn)而確定預(yù)應(yīng)力損失的極限值，為類似橋梁索塔U形環(huán)向預(yù)應(yīng)力束的設(shè)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(nèi)，布置4根U形環(huán)向預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力束

1空間分析模型

1.1　有限元模型

計(jì)算采用Midas FEA程序，自索塔頂部到底部建立3個(gè)節(jié)段(3對(duì)索)局部模型，索塔混凝土采用體單元，預(yù)應(yīng)力束采用鋼筋梁?jiǎn)卧?，未模擬普通鋼筋，模型共計(jì)18 140個(gè)節(jié)點(diǎn)，82 746個(gè)單元。節(jié)段全模型見圖2，預(yù)應(yīng)力束模型見圖3。

圖2　索塔節(jié)段全模型

圖3　預(yù)應(yīng)力束有限元模型

1.2　計(jì)算參數(shù)

(1) 混凝土。采用C50，根據(jù)相應(yīng)規(guī)范取其材料參數(shù)。

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

表1　索力荷載參數(shù)表

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

1.3　荷載工況

考慮預(yù)應(yīng)力損失，分別對(duì)各工況下主塔受力情況進(jìn)行分析，荷載工況見表2。

表2　索塔混凝土預(yù)應(yīng)力損失工況

1.4　容許應(yīng)力

(1) 容許主拉應(yīng)力?！豆蜂摻罨炷良邦A(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62-2004)第6.3.1條，對(duì)于A類和B類預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑構(gòu)件，在作用短期效應(yīng)組合下，C50混凝土容許主拉應(yīng)力為0.5ftk=0.5×2.65=1.33 MPa。

(2) 容許主壓應(yīng)力。參考《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62-2004)，C50混凝土容許主壓應(yīng)力為0.6×32.4=19.44 MPa。

(3) 混凝土的正截面容許拉應(yīng)力(名義拉應(yīng)力)。參考《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62-2004)第6.4.2條，部分預(yù)應(yīng)力B類受彎構(gòu)件的裂縫寬度，可用構(gòu)件受拉邊混凝土的名義拉應(yīng)力控制。鋼筋混凝土構(gòu)件和B類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，其計(jì)算的最大裂縫寬度不應(yīng)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(duì)于C50混凝土預(yù)應(yīng)力后張構(gòu)件，構(gòu)件高度大于1 m，混凝土容許名義拉應(yīng)力為5.0×0.7=3.5 MPa，這個(gè)拉應(yīng)力應(yīng)該對(duì)應(yīng)的是正截面拉應(yīng)力。

依據(jù)上述分析，斜拉橋主塔塔壁C50混凝土容許應(yīng)力見表3。

表3　C50混凝土容許應(yīng)力　MPa

注：容許主壓應(yīng)力和正截面容許拉應(yīng)力供參考，不要求必須滿足。

2計(jì)算結(jié)果

為消除邊界條件的影響，從3個(gè)節(jié)段中取第一節(jié)段計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，以下各應(yīng)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(jì)算結(jié)果。

(1) 計(jì)算結(jié)果。工況1。塔壁主拉(壓)應(yīng)力見圖4～圖7。

圖4　無預(yù)應(yīng)力損失混凝土P1應(yīng)力云圖

圖5　無預(yù)應(yīng)力損失混凝土P3應(yīng)力云圖

圖6　無預(yù)應(yīng)力損失混凝土縱橋向應(yīng)力云圖

圖7　無預(yù)應(yīng)力損失混凝土橫橋向應(yīng)力云圖

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

(2) 計(jì)算結(jié)果。工況5。塔壁主拉(壓)應(yīng)力如圖8～圖11。

圖8　預(yù)應(yīng)力損失40%時(shí)混凝土P1應(yīng)力云圖

圖9　預(yù)應(yīng)力損失40%時(shí)混凝土P3應(yīng)力云圖

圖10　預(yù)應(yīng)力損失40%混凝土縱橋向應(yīng)力云圖

圖11　預(yù)應(yīng)力損失40%混凝土橫橋向應(yīng)力云圖

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

(3) 計(jì)算結(jié)果。工況6。塔壁主拉(壓)應(yīng)力見圖12～圖15。

圖12　預(yù)應(yīng)力損失100%時(shí)混凝土P1應(yīng)力

圖13　預(yù)應(yīng)力損失100%時(shí)混凝土P3應(yīng)力

圖14　預(yù)應(yīng)力損失100%時(shí)混凝土縱橋向應(yīng)力

圖15　預(yù)應(yīng)力損失100%時(shí)混凝土橫橋向應(yīng)力

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

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

表4　索塔混凝土各工況結(jié)果比較一覽表　MPa

注：-表示壓應(yīng)力；+表示拉應(yīng)力。

3結(jié)論

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

(2) 當(dāng)預(yù)應(yīng)力損失為40%時(shí)，塔壁混凝土最大主拉應(yīng)力為1.34 MPa，位于塔壁開孔位置附近，大于容許主拉應(yīng)力1.33 MPa。

(3) 隨著預(yù)應(yīng)力損失的增加，塔壁混凝土最大主壓應(yīng)力減小，但幅度不大。各索塔混凝土最大主壓應(yīng)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(yù)應(yīng)力束張拉、錨固端和斜拉索錨固端應(yīng)力均集中，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行加強(qiáng)處理。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2015-01-29

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.009