矮塔斜拉橋索塔錨固區(qū)局部受力性能

劉 傲 吳旭彪 宋 軍

(1.廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510000； 2.同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

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矮塔斜拉橋索塔錨固區(qū)局部受力性能

劉 傲1吳旭彪1宋 軍2*

(1.廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510000； 2.同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

以江肇高速公路西江大橋為背景，研究柱式雙排跨越式鞍座橋塔錨固區(qū)在最不利索力作用及換索工況下的局部受力特性，通過精細(xì)有限元理論分析，得出了其局部受力特性，為鞍座孔位布置、局部加筋設(shè)計提供借鑒。

矮塔斜拉橋，橋塔，錨固區(qū)，應(yīng)力，有限元

0 引言

矮塔斜拉橋由于兼具斜拉橋受力好及連續(xù)梁剛度大的優(yōu)勢，近年來應(yīng)用逐漸增多，為適應(yīng)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展對交通事業(yè)的新需求，矮塔斜拉橋逐漸向大跨徑、超寬體系方向發(fā)展，對該類橋型的設(shè)計提出挑戰(zhàn)。

在矮塔斜拉橋跨能及承載能力提升的同時，作為主體受力構(gòu)件之一的橋塔將承擔(dān)更大的荷載效應(yīng)，其局部受力性能需得到充分研究驗證，本文以江肇高速公路西江大橋為工程背景，進(jìn)行柱式雙排跨越式鞍座橋塔錨固區(qū)受力性能的研究工作，為橋塔局部設(shè)計提供借鑒。

1 研究背景

西江大橋為四塔五跨單索面矮塔斜拉橋，主跨為(128+3×210+128)m，采用墩、塔、梁固結(jié)剛構(gòu)體系，該橋是典型多塔寬幅單索面矮塔斜拉橋(見圖1)。

主塔為獨柱式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，截面為八邊形，并在順橋向塔中刻深0.1 m寬0.7 m的景觀飾條。主塔高度為30.5 m(含索頂以上4 m裝飾段)，主塔截面等寬段順橋向厚為5 m，橫橋向?qū)?.5 m；塔底5 m范圍，順橋向厚為5 m，橫橋向?qū)捰?.5 m漸變到3.1 m。

斜拉索采用φs15.2 mm填充型環(huán)氧涂層鋼絞線斜拉索，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa，斜拉索規(guī)格分別為43-φs15.2和55-φs15.2，采用鋼絞線拉索群錨體系。斜拉索為單索面雙排索，布置在主梁的中央分隔帶處。塔根兩側(cè)無索區(qū)長64 m，邊跨無索區(qū)長32 m，中跨無索區(qū)長18 m，梁上索距4.0 m，塔上索距0.8 m，一個橋塔上布置2×16束斜拉索，鞍座半徑為0.65 m，斜拉索在塔上采用分絲管結(jié)構(gòu)錨固。橋塔及錨固區(qū)構(gòu)造見圖2。

2 模型與工況

2.1 精細(xì)模型

采用大型有限元分析軟件Ansys對模型進(jìn)行受力分析。用Ansys建成的索塔三維實體有限元模型，混凝土塔柱采用Solid45單元模擬，鞍座通過布爾減運算得到?？紤]到計算規(guī)模，從塔底到12.5 m高的塔段以70 cm控制單元大小，12.5 m到塔頂?shù)腻^固區(qū)段以20 cm控制單元大小。橋塔模型與鞍座孔內(nèi)模型如圖3所示。

2.2 計算工況

鞍座局部受力分析分別考慮極限受力工況以及換索工況，提取相應(yīng)索力進(jìn)行計算，拉索更換以更換S1進(jìn)行計算。極限索力取值見圖4。

2.3 約束與加載方式

將塔底約束所有自由度作為邊界條件。索鞍式錨固區(qū)中斜拉索繞過塔柱，并且該錨固區(qū)中的斜拉索索力通過鞍座錨體傳到塔柱上，會在鞍座錨體與混凝土塔柱接觸的圓弧面上產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力。建立有限元模型分析時，需要將橋塔錨索區(qū)的斜拉索索力等效施加在斜置鞍座錨索與混凝土塔柱的接觸面上。

忽略索的自重和摩擦效應(yīng)的影響，拉索承受拉力和錨固區(qū)塔柱的支持力，所以拉索僅承受塔柱的支持力q，這個支持力便可等效的施加在斜置鞍座錨索與混凝土塔柱的接觸面上。此時可把問題簡化為如圖5所示，斜拉索繞過半徑已知的混凝土塔柱，并在拉索兩端施加張拉力N，塔柱對拉索的支持力q=N/R。

3 極限狀態(tài)計算結(jié)果

3.1 順橋向正應(yīng)力分析

索塔錨固區(qū)順橋向基本上處于受壓狀態(tài)，順橋向最大拉應(yīng)力為1.85 MPa。順橋向最大壓應(yīng)力為2.74 MPa。總體應(yīng)力分布、變化較均勻。在鞍座錨體與混凝土塔柱接觸的圓弧面上會產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，這和荷載施加的假設(shè)一致。S1～S16號索鞍下混凝土壓應(yīng)力水平的變化趨勢為：從底部到頂部逐漸增大。索塔頂部鞍下混凝土圓弧段壓應(yīng)力水平在1 MPa～2.5 MPa，在圓弧段的邊緣，有較小的壓應(yīng)力集中。錨固區(qū)底部鞍下混凝土，其上部受壓，壓應(yīng)力水平在0.6 MPa～1.2 MPa，下部受拉，拉應(yīng)力水平在0.3 MPa左右。與圓弧段相接的直線段，有0.3 MPa的拉應(yīng)力，靠近圓弧段的邊緣有拉應(yīng)力集中，峰值達(dá)1.85 MPa。

3.2 主拉應(yīng)力分析

索塔錨固區(qū)主拉應(yīng)力分布如圖6所示。從主拉應(yīng)力圖可知，整個索塔錨固從總體上看處于受壓狀態(tài)，主拉應(yīng)力為負(fù)值。但局部某些區(qū)域，主拉應(yīng)力最大數(shù)值達(dá)到了5.08 MPa，但作用區(qū)域極小，應(yīng)力很快擴(kuò)散，這可能和實體模型及其加載有關(guān)。但大部分區(qū)域的最大主拉應(yīng)力值在1.65 MPa左右。從局部看主拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在鞍下混凝土的最下緣，即相鄰下部鞍座的上緣。錨固區(qū)主拉應(yīng)力從上到下，逐漸增大。錨固區(qū)頂部鞍下混凝土拉應(yīng)力水平在0.3 MPa左右。底部鞍下混凝土拉應(yīng)力水平在1 MPa～2.3 MPa。在直線段下部最邊緣，有拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，峰值達(dá)5 MPa。

3.3 主壓應(yīng)力分析

主壓應(yīng)力在全錨固區(qū)總體上從上到下依次增大，最大主壓應(yīng)力為24.1 MPa，在最下端的S1號拉索處。大部分區(qū)域主壓應(yīng)力在5 MPa～15 MPa。無明顯應(yīng)力集中區(qū)域。從局部上看，錨固區(qū)頂部鞍下混凝土總體主壓應(yīng)力狀態(tài)在3 MPa～5 MPa左右，與鞍座直接接觸的圓弧段局部主壓應(yīng)力在5 MPa～10 MPa。底部鞍下混凝土主壓應(yīng)力明顯增大，達(dá)7 MPa～15 MPa。

4 換索狀況的索塔錨固區(qū)響應(yīng)特性

4.1 順橋向正應(yīng)力分析

索塔錨固區(qū)順橋向基本上處于受壓狀態(tài)，順橋向最大拉應(yīng)力為1.87 MPa。順橋向最大壓應(yīng)力為2.74 MPa。與前面最不利狀態(tài)的應(yīng)力水平相比，總體上各部分應(yīng)力狀態(tài)相似，數(shù)值上差別很小，局部的應(yīng)力變化也幾乎相同，可見該換索工況對索塔錨固區(qū)的總體的受力性能影響很小。在S1號索的鞍座處，其鞍下混凝土出現(xiàn)了0.9 MPa左右的拉應(yīng)力，而在最不利狀態(tài)下，鞍下混凝土受的是0.7 MPa的壓應(yīng)力，這是橫橋向不平衡的索力引起的。

4.2 主拉應(yīng)力分析

索塔錨固區(qū)主拉應(yīng)力分布見圖7。從主拉應(yīng)力圖可知，索塔整體上受壓。

但是在下端的局部很小區(qū)域，主拉應(yīng)力最大數(shù)值達(dá)到了5.01 MPa。在鞍下混凝土最下緣，受到最大的主拉應(yīng)力。從總體上看，主拉應(yīng)力狀況和最不利狀態(tài)基本上一致。但S1號索鞍下混凝土的上緣，原來拉應(yīng)力為0.3 MPa左右，現(xiàn)在主拉應(yīng)力增加到2 MPa～3 MPa，這個影響不能忽略，它是由于橫橋向不平衡的索力產(chǎn)生的。

4.3 主壓應(yīng)力分析

最大主壓應(yīng)力為23.9 MPa，整體應(yīng)力狀態(tài)和最不利狀態(tài)相似。S1號索的鞍座處，主壓應(yīng)力從原來的13 MPa降低到10 MPa左右。

5 結(jié)語

通過對實體有限元模型的正常使用最不利工況和換索工況的分析發(fā)現(xiàn)。索塔錨固區(qū)整體處于受壓狀態(tài)。鞍下混凝土總體受力類似于拱形受彎梁的狀態(tài)。其上緣壓應(yīng)力較大，主壓應(yīng)力在5 MPa～15 MPa，且從錨固區(qū)頂部到底部，主壓應(yīng)力水平逐漸增大。下緣會出現(xiàn)有0.3 MPa～2.3 MPa的主拉應(yīng)力，且從錨固區(qū)頂部到底部，主拉應(yīng)力水平逐漸增大?？梢娮钕露薙1號索處，其應(yīng)力狀態(tài)最不利。

在錨固區(qū)頂端鞍下混凝土圓弧段邊緣，有小范圍壓應(yīng)力集中，在錨固區(qū)底部鞍下混凝土直線段端部，有小范圍拉應(yīng)力集中。

換索狀態(tài)與前面正常使用最不利狀態(tài)的整體應(yīng)力水平相比，總體上差別很小。但是對于被換索處的鞍下混凝土，由于橫橋向的不平衡力，其拉應(yīng)力水平增加，且不可忽略，正應(yīng)力從0.7 MPa的壓應(yīng)力變?yōu)?.9 MPa拉應(yīng)力；主拉應(yīng)力由0.3 MPa增加到2 MPa；主壓應(yīng)力從13 MPa降到10 MPa，應(yīng)做好處理。由此可見該換索工況對索塔錨固區(qū)整體的受力性能影響很小，但會對換索的局部產(chǎn)生影響。

[1] 劉 釗，孟少平，臧 華，等.矮塔斜拉橋索鞍區(qū)模型試驗及設(shè)計探討[J].東南大學(xué)學(xué)報，2007(3)：291-295.

[2] 張海文.矮塔斜拉橋索鞍局部混凝土應(yīng)力分析[D].成都：西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

[3] 官潤榮，張俊平，劉愛榮，等.部分斜拉橋主塔鞍座節(jié)段模型試驗研究[J].廣州大學(xué)學(xué)報，2005(10)：449-453.

[4] 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)：53-59.

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The Local mechanical properties of short tower cable-stayed bridge cable anchorage zone

Liu Ao1Wu Xubiao1Song Jun2*

(1.GuangdongNanyueTrafficInvestmentConstructionLimitedCompany,Guangzhou510000,China;2.TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

The local stress characteristics of anchorage zone, under the maximum cable force and cable replacement conditions, are studied, which take double leaping saddle in column pylon of Xijiang bridge in Jiangzhao highway as background. By using finite element method, the local stress characteristics are verified, which can provide a reference for the layout of saddle hole and partial reinforcement design.

low tower cable-stayed bridge， bridge tower， anchorage area， stress， finite element method

1009-6825(2016)20-0164-03

2016-05-09

劉 傲(1983- )，男，工程師； 吳旭彪(1985- )，男，工程師

宋 軍(1987- )，男，在讀博士

U448.27

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