斜拉橋預(yù)應(yīng)力混凝土索塔錨固結(jié)構(gòu)受力性能分析

惠 興 智

(山西省交通科學(xué)研究院， 山西 太原 030006)

斜拉橋預(yù)應(yīng)力混凝土索塔錨固結(jié)構(gòu)受力性能分析

惠 興 智

(山西省交通科學(xué)研究院， 山西 太原 030006)

為了研究U形與直線預(yù)應(yīng)力束混合布置索塔錨固結(jié)構(gòu)的受力特性，以國內(nèi)某姊妹塔斜拉橋的菱形橋塔為例，采用通用有限元程序建立索塔錨固結(jié)構(gòu)的節(jié)段有限元模型，分析索塔錨固結(jié)構(gòu)在預(yù)應(yīng)力荷載與斜拉索水平力共同作用下的受力情況。結(jié)果表明：在索塔錨固結(jié)構(gòu)中采用U形與直線預(yù)應(yīng)力束混合布置能較好的滿足設(shè)計要求，使錨固區(qū)整體處于較為合理的壓力狀態(tài)之下，除局部的應(yīng)力集中外，基本消除了斜拉索作用下順橋向塔柱的拉應(yīng)力；在齒塊與塔柱內(nèi)壁的結(jié)合處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視，施工時應(yīng)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。

斜拉橋；菱形橋塔；索塔錨固結(jié)構(gòu)；受力分析

橋塔是斜拉橋的重要組成部分，橋塔設(shè)計與研究的重點、難點均是斜拉索錨固結(jié)構(gòu)，索塔錨固結(jié)構(gòu)是將斜拉索的集中索力均勻傳遞至橋塔的重要構(gòu)件[1-3]。設(shè)計時應(yīng)選取合理的錨固形式以保證該區(qū)域的受力安全。

預(yù)應(yīng)力混凝土索塔錨固結(jié)構(gòu)是目前使用最普遍的索塔錨固方案之一[4]。對于空心斷面橋塔，斜拉索可直接在塔壁內(nèi)側(cè)的齒塊上進(jìn)行錨固，此時，索力水平分力在錨索側(cè)塔壁內(nèi)產(chǎn)生較大內(nèi)力，為了防止塔壁在運營過程中開裂，可在塔壁截面內(nèi)布置預(yù)應(yīng)力來平衡斜拉索索力產(chǎn)生的內(nèi)力[5]。

常用的索塔錨固結(jié)構(gòu)內(nèi)預(yù)應(yīng)力布置方式分為4類：由曲線或直線預(yù)應(yīng)力在索塔截面雙向構(gòu)成的“井”字束；僅沿順橋向在索塔截面內(nèi)設(shè)置開口U形束；僅沿橫橋向在索塔截面內(nèi)設(shè)置開口U形束；同時在索塔截面內(nèi)設(shè)置直線、U形預(yù)應(yīng)力形成混合束。其中，混合束在索塔截面內(nèi)形成的預(yù)壓力分布模式與索塔截面內(nèi)拉力的分布模式相似，索塔受力的安全度也最高。但是，混合束方案使用的預(yù)應(yīng)力材料較多，導(dǎo)致錨固結(jié)構(gòu)受力也相對較復(fù)雜，很難通過理論方法完成分析。

項貽強等[6]研究了南京長江二橋南汊橋索塔錨固結(jié)構(gòu)的受力，結(jié)果表明該類索塔錨固結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)較高。劉兆豐等[7]研究了長壽長江公路大橋索塔錨固結(jié)構(gòu)的受力，結(jié)果表明加載至2.0倍設(shè)計索力時結(jié)構(gòu)始終處于彈性工作狀態(tài)。姚建軍等[8]采用試驗方法研究了忠縣長江大橋索塔錨固結(jié)構(gòu)的受力情況。張亮亮等[9]對比分析了3種工況下某混凝土索塔錨固區(qū)的受力特點，認(rèn)為采用環(huán)向井字形的水平預(yù)應(yīng)力束配置形式是合理的。田仲初等[10]采用模型試驗與有限元方法研究了三塔斜拉橋索塔錨固區(qū)的局部受力特性。葉華文等[11-12]采用理論推導(dǎo)、模型試驗與有限元分析方法進(jìn)行研究，結(jié)果表明斜拉索水平力主要由環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋承擔(dān)，非對稱受力對錨固區(qū)受力影響不大。王宏祥[13]采有限元方法研究了某斜拉橋索塔錨固區(qū)受力情況，認(rèn)為合理施加預(yù)應(yīng)力可以有效改善索塔錨固區(qū)的受力性能。崔楠楠等[14]研究了廣中江高速公路西江水道橋的單向預(yù)應(yīng)力體系索塔錨固區(qū)的受力情況。沈璐等[15]分析了吉林省蘭旗松花江斜拉橋索塔錨固區(qū)環(huán)型鋼束預(yù)應(yīng)力損失計算的特點。

本文以國內(nèi)某姊妹塔斜拉橋為例，建立其索塔錨固結(jié)構(gòu)節(jié)段的三維實體有限元模型，對其受力情況進(jìn)行分析，以期為該類結(jié)構(gòu)的設(shè)計與應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)和參考依據(jù)。

1 工程概況

國內(nèi)某斜拉橋為全長440 m、跨徑組合110 m+220 m+110 m的雙塔四索面斜拉橋。采用上、下行兩幅橋、姊妹雙塔、分離主梁的布置，斜拉索在主梁兩側(cè)形成空間索面(見圖1)?；炷林髁簽槔甙迨浇Y(jié)構(gòu)，為全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，單幅橋主梁寬度為23 m，肋高2.2 m，橋面板厚度為0.3 m。斜拉索采用空間四索面扇形布置，全橋共設(shè)112對直徑為7 mm的鍍鋅高強度低松弛平行鋼絲斜拉索。橋塔由兩個并列的菱形塔橫向連接而成，橋塔高度分別為91.5 m、92.5 m，在橋塔的斜拉索錨固區(qū)段混合設(shè)置U形與縱向直線預(yù)應(yīng)力束。

圖1 姊妹塔斜拉橋整體布置(單位：cm)

索塔錨固結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面形式以充分發(fā)揮混凝土的材料特性，并通過在索塔錨固區(qū)采用大噸位、小半徑的U形預(yù)應(yīng)力束橫橋向開口和水平直線預(yù)應(yīng)力束聯(lián)合的布置形式，來平衡斜拉索強大順橋向水平拉力。

圖2 錨固區(qū)半結(jié)構(gòu)構(gòu)造

U形預(yù)應(yīng)力鋼束和順橋向水平預(yù)應(yīng)力束分別采用Φs15.2-14、Φs15.2-5高強度低松弛鋼絞線，鋼絞線抗拉強度為1 860 MPa，張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa；其預(yù)應(yīng)力鋼束布置如圖3所示。

圖3 預(yù)應(yīng)力鋼束布置

2 有限元分析模型

由空間桿系靜力計算，經(jīng)索力優(yōu)化后確定的最不利荷載組合下的塔端最大索力出現(xiàn)在MS14號索，即橋塔的最上一節(jié)錨固段，且此段斜拉索的水平傾角最小，水平分力最大，所以此段為最不利區(qū)域。為了提高計算效率，根據(jù)圣維南局部影響原理，取MS14號索錨固區(qū)域附近2.4 m高的索塔節(jié)段進(jìn)行計算分析。采用通用有限元程序ANSYS 17.0建立索塔錨固區(qū)3維實體有限元模型，其中，混凝土塔壁、齒塊和錨墊板采用多節(jié)點實體單元SOLID 187模擬；預(yù)應(yīng)力鋼束采用空間桿單元LINK 8模擬，通過對LINK 8單元降溫來施加預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。分析中考慮斜拉索孔道對錨固區(qū)的削弱作用，但將整個結(jié)構(gòu)視為勻質(zhì)彈性體，不考慮普通鋼筋及防止U形預(yù)應(yīng)力束崩裂的構(gòu)造鋼筋。計算模型的幾何構(gòu)造與網(wǎng)格劃分情況如圖4～圖6所示。

材料屬性：橋塔混凝土強度等級為C50，彈性模量為3.5×104MPa，泊松比為0.2；預(yù)應(yīng)力鋼束標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度為1 860 MPa，彈性模量為1.95×105MPa，泊松比為0.3；錨墊板材料為Q235鋼材，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3。

圖4 計算模型的幾何構(gòu)造

圖5 索塔錨固結(jié)構(gòu)有限元模型

邊界條件：約束節(jié)段模型下層所有節(jié)點的三向線位移。考慮邊界條件的局部影響，僅對錨孔附近節(jié)段進(jìn)行分析。

圖6 預(yù)應(yīng)力鋼束離散圖

計算荷載：根據(jù)全橋整體分析結(jié)果，位于塔頂?shù)腗S14號索塔端索力為4 632.2 kN，對應(yīng)的MC14索的塔端索力為3 527.6 kN。索力以面力形式施加在錨墊板上，U形預(yù)應(yīng)力束和順橋向水平預(yù)應(yīng)力束的張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa。U形預(yù)應(yīng)力束屬于大噸位小半徑預(yù)應(yīng)力，其預(yù)應(yīng)力損失的計算較為復(fù)雜，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[8-10]和以往斜拉橋索塔錨固區(qū)的階段模型試驗研究結(jié)果，錨固區(qū)U形預(yù)應(yīng)力束的預(yù)應(yīng)力損失均在50%左右，本文按預(yù)應(yīng)力損失為50%計算，有效預(yù)應(yīng)力為697.5 MPa；順橋向水平預(yù)應(yīng)力束的預(yù)應(yīng)力損失按照規(guī)范計算，有效預(yù)應(yīng)力為1 345 MPa。

3 結(jié)果分析

同時考慮斜拉索索力和錨固區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼束的作用，對錨固結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。文中應(yīng)力結(jié)果正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力。

考慮到圣維南局部影響原理，在錨孔以下取出一節(jié)段觀察結(jié)果，為了結(jié)果的分析方便，在取出的節(jié)段表面設(shè)置一系列應(yīng)力值特征點，特征點的布置如圖7所示。其中邊跨側(cè)齒塊上應(yīng)力值觀察點的布置與中跨側(cè)相同，編號以C'n表示(圖中未示出)。

(1) 主拉應(yīng)力分析。由圖8與圖9給出的應(yīng)力云圖可以看出，在拉索索力與預(yù)應(yīng)力共同作用下，塔柱上最大應(yīng)力值為0.88 MPa，出現(xiàn)在T16特征點處；齒塊與塔柱內(nèi)壁結(jié)合處，中跨側(cè)最大應(yīng)力為2.92 MPa，出現(xiàn)在特征點C3處，邊跨側(cè)最大應(yīng)力為3.72 MPa，出現(xiàn)在C'2處，可見主拉應(yīng)力值已超出C50混凝土的抗拉強度，這是由于計算中沒有考慮在齒塊區(qū)域布置的密集構(gòu)造鋼筋和局部加強鋼筋，在實際工程中并不會出現(xiàn)如此大的主拉應(yīng)力，但是此區(qū)域仍然是設(shè)計的關(guān)鍵部位，應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視，確保施工質(zhì)量。

圖7 應(yīng)力值特征點布置

圖8 整體主拉應(yīng)力分布(單位：Pa)

圖9 塔柱內(nèi)部剖面主拉應(yīng)力分布(單位：Pa)

(2) 主壓應(yīng)力分析。由圖10與圖11給出的主壓應(yīng)力云圖可以看出，在拉索索力與預(yù)應(yīng)力共同作用下，齒塊后方塔柱主壓應(yīng)力值較大，向外側(cè)錨孔逐漸擴散，應(yīng)力最大值為-13.6 MPa，出現(xiàn)在T28特征點處；齒塊與塔柱結(jié)合處，中跨側(cè)最大應(yīng)力值為-7.49 MPa，出現(xiàn)在特征點C4處，邊跨側(cè)最大應(yīng)力值為-9.98 MPa，出現(xiàn)在C'4處?？梢娊Y(jié)構(gòu)的主壓應(yīng)力值遠(yuǎn)小于C50混凝土的抗壓強度，即主壓應(yīng)力并不是控制預(yù)應(yīng)力混凝土索塔錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵因素。

圖10 整體主壓應(yīng)力分布(單位：Pa)

圖11 塔柱內(nèi)部剖面主壓應(yīng)力分布(單位：Pa)

4 結(jié) 語

(1) 在斜拉索與預(yù)應(yīng)力共同作用下，索塔錨固區(qū)的主拉應(yīng)力最大值為3.72 MPa，出現(xiàn)在齒塊與塔柱內(nèi)壁結(jié)合處，超出了C50混凝土的抗拉強度，但這與計算沒有考慮齒塊上布置密集的構(gòu)造鋼筋和局部加強鋼筋有關(guān)，實際工程中的主拉應(yīng)力值不會如此大。

(2) 在斜拉索與預(yù)應(yīng)力共同作用下，索塔錨固區(qū)的主壓應(yīng)力最大值為-13.6 MPa，出現(xiàn)在齒塊后方塔柱處，可見結(jié)構(gòu)的主壓應(yīng)力值遠(yuǎn)小于C50混凝土的抗壓強度，主壓應(yīng)力并不是控制預(yù)應(yīng)力混凝土索塔錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵因素。

(3) 雖然采用預(yù)應(yīng)力體系能夠降低索塔錨固結(jié)構(gòu)的主拉應(yīng)力，但在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力設(shè)計時仍要重視齒塊與塔柱內(nèi)壁結(jié)合處的構(gòu)造，確保應(yīng)力較好的擴散。

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Mechanical Behavior of Anchorage Zone of Cable-stayed Bridge Pylon

HUI Xingzhi

(ShanxiTransportationResearchInstitute,Taiyuan,Shanxi030006,China)

In order to analyze the mechanical characteristics of the cable-tower anchor zone with U prestressing tendon and linear prestressing tendon mixed layout, the diamond tower of a sister cable-stayed bridge has been studied. By using the general finite element program, the segmental finite element model of the cable-to-tower anchorage zone is developed and its stress conditions are analyzed combined prestressed load and horizontal force of cable. The results shows that the cable-to-tower anchorage zone with U prestressing tendon and linear prestressing tendon mixed layout can meet the design requirement preferably. The anchorage zone is in a relatively reasonable pressure state except local stress concentration and the longitudinal tensile stress of the tower basically eliminated except local stress concentration in the force of cable. While it should be paid enough attention for the stress concentrate phenomenon in the junction of block tooth and the tower’s inner wall, and construction quality should be strictly controlled during construction.

cable-stayed bridge; diamond tower; anchorage structure in tower; stress analysis

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.042

2017-01-09

2017-02-28

惠興智(1984—)，男，陜西榆林人，工程師，主要從事橋梁設(shè)計工作。 E-mail: 278053091@qq.com

U441+.5

A

1672—1144(2017)02—0219—05