南臺(tái)頭閘橋梁索塔錨固區(qū)設(shè)計(jì)研究

吳 樸

（浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310028）

南臺(tái)頭閘橋梁索塔錨固區(qū)設(shè)計(jì)研究

吳 樸

（浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310028）

拱形索塔斜拉橋以其造型優(yōu)美、線條柔和、簡單大方等優(yōu)點(diǎn)，在景觀要求較高的橋梁投標(biāo)中具有一定優(yōu)勢(shì)。目前國內(nèi)對(duì)此種形式斜拉塔研究較少，因其空間索面體系及曲線橋塔結(jié)構(gòu)，使得整個(gè)索塔錨固區(qū)受力更加復(fù)雜。以一座單塔拱形橋塔斜拉橋?yàn)楣こ虒?shí)例，具體分析拱形斜拉塔索塔錨固區(qū)的受力情況，可為同類斜拉橋的設(shè)計(jì)工作提供借鑒與參考。

拱形斜拉塔；索塔錨固區(qū)；預(yù)應(yīng)力錨固

0 引言

斜拉橋作為一種拉索體系結(jié)構(gòu)，主要由橋塔、拉索、主梁等構(gòu)件構(gòu)成，是一種主梁受壓，支撐體系受拉的組合體系橋梁[1-3]。斜拉橋以其受力性能好、跨越能力大、受場地限制小、抗震抗風(fēng)性能好、施工工藝成熟等特點(diǎn)，橋梁工程中得到了較大的應(yīng)用。

橋塔作為斜拉橋的主要承重構(gòu)件，目前常用的橋塔形式有：柱式、門式、倒Y型、倒V型、A型、花瓶型及磚石型等[4,5]。近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民的物質(zhì)生活水平不斷提高，人民的精神文化需求日益增長，對(duì)橋梁的景觀功能性要求也逐步提升。橋塔作為整個(gè)斜拉橋的高聳部分，其外形是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，最能表現(xiàn)出斜拉橋的景觀效果，也最能給人留下較為深刻的映像，體現(xiàn)出橋梁的整體文化內(nèi)涵及地方特色，故橋塔的外型選擇十分重要。因此目前對(duì)斜拉橋的景觀處理大多由橋塔入手，誕生了一批外形優(yōu)美的異形斜拉塔。

拱形斜拉塔以其造型優(yōu)美、線條柔和、簡單大方等優(yōu)點(diǎn)，在景觀要求較高的橋梁投標(biāo)中具有一定優(yōu)勢(shì)。目前國內(nèi)對(duì)此種形式斜拉塔研究較少，因其空間索面體系及曲線橋塔結(jié)構(gòu)，使得整個(gè)索塔錨固區(qū)受力更加復(fù)雜。本文將以一座單塔拱形橋塔斜拉橋?yàn)楣こ虒?shí)例，具體分析拱形斜拉塔索塔錨固區(qū)的受力情況，為同類斜拉橋的設(shè)計(jì)工作提供借鑒與參考。

1 南臺(tái)頭閘橋梁概況

南臺(tái)頭閘橋梁主橋采用兩跨102 m+13 m獨(dú)塔雙索面斜拉橋，全橋共36對(duì)共72根斜拉索，邊跨梁上索距分別為6.3 m和3.5 m，主跨梁上索距為6.3 m，塔上索距為2.8 m、2.6 m、2.4 m和2.2 m。主塔為混凝土橢圓形橋塔，橋面以上高為74.2 m左右。斜拉橋主梁6.3 m索距處的結(jié)構(gòu)形式為雙肋式預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，邊跨3.5 m索距處的主梁為單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，中心點(diǎn)梁高為2.4 m。橋面全寬30.5 m，整體結(jié)構(gòu)采用塔墩梁固結(jié)體系?？傮w布置見圖1。

圖1 橋梁總體布置立面圖（單位：cm）

2 南臺(tái)頭閘橋梁斜拉索塔錨固區(qū)設(shè)計(jì)

2.1 常用的拉索固形式

拉索錨固處的構(gòu)造主要受拉索位置、根數(shù)、縱橫向布置、橋塔的結(jié)構(gòu)形式、拉索牽引方式及張拉工藝等多種因素的影響。故應(yīng)從設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)維修及換索等多方面來綜合考慮拉索錨固區(qū)的構(gòu)造。

對(duì)于混凝土橋塔常用的拉索錨固形式有，預(yù)應(yīng)力錨固、鋼錨梁以及鋼錨箱等。

2.1.1 預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)

預(yù)應(yīng)力錨固是將斜拉索直接錨固在混凝土橋塔內(nèi)壁的齒塊上，拉索索力由齒板傳至塔壁；其中拉索的豎向分力經(jīng)由塔壁向下傳遞，拉索的水平向分力在塔壁上產(chǎn)生的拉力則由設(shè)在塔內(nèi)的平面預(yù)應(yīng)力筋對(duì)橋塔產(chǎn)生的預(yù)壓力來抵消。主要構(gòu)造形式見圖2。

圖2 預(yù)應(yīng)力錨固構(gòu)造形式圖

2.1.2 鋼錨梁

鋼錨梁作為獨(dú)立的拉索錨固構(gòu)件，支撐于塔柱內(nèi)壁牛腿上，依靠鋼錨梁自身強(qiáng)度平衡兩側(cè)拉索的水平分力，部分不平衡水平分力通過鋼錨梁支座摩阻力和水平限位裝置傳遞至塔壁，拉索的豎向分力由塔柱內(nèi)側(cè)牛腿傳至塔柱。由于拉索的水平向分力大多由鋼錨梁平衡，故塔壁處混凝土拉應(yīng)力水平較低。主要構(gòu)造形式見圖3。

圖3 鋼錨梁構(gòu)造形式圖

2.1.3 鋼錨箱

鋼錨箱是由鋼結(jié)構(gòu)索塔及主梁錨固橫梁發(fā)展而來的一種新型錨固構(gòu)造。鋼錨箱整體澆筑于混凝土主塔內(nèi)，與混凝土間通過剪力鍵連接，拉索錨固于鋼橫梁上，鋼橫梁焊接在鋼錨箱上。鋼錨箱的工作機(jī)理明確，索力首先傳遞至鋼錨箱上，其豎向分力由塔壁由上而下向下進(jìn)行傳遞，整體由混凝土承擔(dān)；其水平向分力則通過鋼錨箱的水平鋼板和塔柱共同承擔(dān)。鋼錨箱中鋼材主要負(fù)責(zé)承擔(dān)索力產(chǎn)生的水平拉力，混凝土主要負(fù)責(zé)承擔(dān)索力產(chǎn)生的豎向壓力，充分發(fā)揮了混凝土受力承載力大、鋼材抗拉強(qiáng)度高的特點(diǎn)，受力性能優(yōu)越。主要構(gòu)造形式見圖4。

圖4 鋼錨箱構(gòu)造形式圖

2.1.4 不同錨固方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較

不同的索塔錨固形式有各自不同的特點(diǎn)，其主要優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 不同索塔錨固形式優(yōu)缺點(diǎn)一覽表

2.2 斜拉塔錨固區(qū)設(shè)計(jì)

該橋采用混凝土橢圓形橋塔，空間索面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故索塔錨固方式是該橋設(shè)計(jì)的重要節(jié)點(diǎn)。

由于該橋主塔設(shè)計(jì)受道路斷面限制，主塔橫向尺寸較小，塔根部橫向尺寸為4.0 m，且拉索豎向間距較小，最小處僅為2.2 m，故塔內(nèi)錨固空間較小；又因主塔為橢圓形結(jié)構(gòu)，空間索面結(jié)構(gòu)，錨點(diǎn)處空間角度各不相同；故拉索錨固不宜采用鋼錨梁形式，應(yīng)在預(yù)應(yīng)力錨固和鋼錨箱錨固這兩種錨固形式中進(jìn)一步進(jìn)行比選，又由于本橋整體跨徑較小，采用鋼錨箱的錨固方式經(jīng)濟(jì)性較差，綜合分析后該橋采用預(yù)應(yīng)力錨固的方式。

本次設(shè)計(jì)在常規(guī)預(yù)應(yīng)力錨固方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，在每對(duì)斜拉索錨固點(diǎn)處設(shè)置0.4 m厚的隔板一道，每道隔板順橋向設(shè)置4道12Φs15.2 mm的預(yù)應(yīng)力鋼束；每兩道隔板之間設(shè)置6道12Φs15.2 mm環(huán)形預(yù)應(yīng)力鋼束；預(yù)應(yīng)力鋼束均采用塑料波紋管成孔。其主要構(gòu)造見圖5。

圖5 索塔錨固區(qū)預(yù)應(yīng)力構(gòu)造圖（單位：cm）

3 索塔錨固區(qū)有限元分析

索塔錨固區(qū)處于三向受力狀態(tài)，受力復(fù)雜，需建立精細(xì)的空間有限元模型，對(duì)其進(jìn)行受力分析評(píng)估。

3.1 有限元模型建立

計(jì)算分析中選取橋塔索力最大的5個(gè)節(jié)段作為研究對(duì)象，對(duì)應(yīng)斜拉索S14～S18（大跨側(cè)）和S14’～S18’（小跨側(cè)）。以節(jié)段底面形心為坐標(biāo)原點(diǎn)，順橋向?yàn)閄方向，橫橋向?yàn)閅方向，豎向?yàn)閆方向。有限元計(jì)算采用通用有限元程序ABAQUS6.10，建立模型時(shí)考慮了塔上錨固齒槽和斜拉索預(yù)留孔。有限元網(wǎng)格劃分情況，混凝土采用4節(jié)點(diǎn)4面體實(shí)體單元C3D4以及8節(jié)點(diǎn)6面體實(shí)體單元C3D8模擬，預(yù)應(yīng)力鋼束采用埋入式2節(jié)點(diǎn)T3D2空間桁架單元模擬，單元數(shù)總計(jì)為551 754，其中混凝土實(shí)體單元數(shù)為546 647，預(yù)應(yīng)力鋼束桁架單元數(shù)為5 107。有限元模型見圖6。

圖6 索塔錨固區(qū)有限元模型

材料特性做了以下簡化：塔壁按各向同性的勻質(zhì)彈性體考慮，未計(jì)入普通鋼筋；C50混凝土彈性模量Ec=3.45×104MPa,泊松比μ=0.2；預(yù)應(yīng)力鋼束采用ΦS15.2高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，抗拉強(qiáng)度fpk=1 860 MPa，張拉控制應(yīng)力σcon=1 350 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，線膨脹系數(shù)α=1.2×10-5。

對(duì)于該模型，邊界條件作如下考慮：節(jié)段底面按固結(jié)處理，節(jié)段頂部截面受到上部塔體的軸壓力Fz和彎矩Mx、My作用。

3.2 荷載及荷載工況

3.2.1 斜拉索索力

斜拉索索力由有限元計(jì)算程序Midas Civil 2015求得，按正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合值取用，其數(shù)值見表2。索力以面力的形式作用在錨墊板扣除索孔面積以外的部分上，其方向與索力實(shí)際方向一致。

3.2.2 鋼束預(yù)應(yīng)力

考慮預(yù)應(yīng)力損失20%，故預(yù)應(yīng)力鋼束的實(shí)際張拉應(yīng)力為0.8σcon=1 080 MPa?？紤]混凝土與預(yù)應(yīng)力鋼束分開建模，采用降溫法模擬預(yù)應(yīng)力張拉，即將損失后的鋼束內(nèi)力值以降溫的形式加在T3D2空間桁架單元中，塔身預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)降溫Δt=0.8σcon/αEp=461.54℃。

3.2.3 荷載工況

根據(jù)正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合下，軸壓力Fz、順橋向彎矩Mx、橫橋向彎矩My的不同組合情況，共考慮4種荷載工況：工況一，最大軸壓力工況；工況二，最小軸壓力工況；工況三，順橋向最大彎矩工況；工況四，橫橋向最大彎矩工況。各工況的荷載組合見表3。

表2 節(jié)段模型的驗(yàn)算索力

表3 各工況的荷載組合

3.3 應(yīng)力分析結(jié)果

為了避免節(jié)段上下端邊界條件對(duì)應(yīng)力分布產(chǎn)生較大影響，對(duì)中間3個(gè)節(jié)段（S15～S17和S15’～S17’對(duì)應(yīng)節(jié)段）進(jìn)行各荷載工況下的應(yīng)力分析，重點(diǎn)分析混凝土隔板和非錨固側(cè)壁的應(yīng)力（見圖7）。按照ABAQUS約定，應(yīng)力值受拉為正，受壓為負(fù)，應(yīng)力單位為MPa。

3.3.1 最大軸壓力工況

各控制截面混凝土隔板和非錨固側(cè)壁的最大主拉、主壓應(yīng)力見表4。

3.3.2 最大軸壓力工況

各控制截面混凝土隔板和非錨固側(cè)壁的最大主拉、主壓應(yīng)力見表5。

圖7 所示應(yīng)力位置圖

表4 各控制截面最大主拉、主壓應(yīng)力 MPa

表5 各控制截面最大主拉、主壓應(yīng)力 MPa

3.3.3 順橋向最大彎矩工況

各控制截面混凝土隔板和非錨固側(cè)壁的最大主拉、主壓應(yīng)力見表6。

表6 各控制截面最大主拉、主壓應(yīng)力 MPa

3.3.4 橫橋向最大彎矩工況

各控制截面混凝土隔板和非錨固側(cè)壁的最大主拉、主壓應(yīng)力見表7。

表7 各控制截面最大主拉、主壓應(yīng)力 MPa

3.4 分析結(jié)果

基于ABAQUS橋塔節(jié)段實(shí)體模型，在正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合下，對(duì)橋塔混凝土進(jìn)行了4個(gè)不同荷載工況的應(yīng)力分析，并主要得到以下結(jié)論：

順橋向最大彎矩工況為最不利荷載工況，隔板最大主壓應(yīng)力為7.8 MPa，非錨固側(cè)壁的最大主壓應(yīng)力為8.3 MPa，均小于C50混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值23.1 MPa，最大主壓應(yīng)力方向均沿截面法線方向，應(yīng)力滿足要求；隔板最大主拉應(yīng)力為1.46 MPa，非錨固側(cè)壁的最大主拉應(yīng)力為1.74 MPa，均小于C50混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.83 MPa，最大主拉應(yīng)力方向均與截面平行，因在計(jì)算中并未考慮塔柱中普通鋼筋作用，且所取荷載皆為最不利荷載，故認(rèn)為塔柱所配預(yù)應(yīng)力束能滿足要求。

4 結(jié)論

南臺(tái)頭閘橋梁主橋?yàn)榭臻g雙索面橢圓形橋塔斜拉橋，錨點(diǎn)處空間角度各不相同，由于受道路斷面及拉索豎向間距限制塔內(nèi)錨固空間較小，拉索錨固區(qū)受力復(fù)雜；在綜合分析后采用預(yù)應(yīng)力錨固的方式。經(jīng)過有限元計(jì)算分析后，預(yù)應(yīng)力錨固方式可滿足橋梁安全性的要求。

[1]林元培.斜拉橋[M].北京:人民交通出版社,2004.

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U448.27

B

1009-7716（2017）10-0066-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.019

2017-05-08

吳樸（1978-），女，江蘇南通人，高級(jí)工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。