矮塔斜拉橋索梁錨固區(qū)受力性能研究

黃 斌，楊 睿，張振華，張亞飛

(1.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，杭州 310030；2.中北工程設計咨詢有限公司杭州分公司，杭州 311199)

0 引 言：

矮塔斜拉橋是在100m～300m跨徑中具有競爭力的橋型，矮塔斜拉橋結構中的索梁錨固區(qū)則是受力復雜且關鍵區(qū)域，該區(qū)域的受力直接影響結構施工和運營安全性。有鑒于此，有必要對矮塔斜拉橋的索梁錨固區(qū)的受力性能進行分析研究。

為了探究清楚斜拉橋索梁錨固區(qū)域的復雜受力行為，許多學者做了相關研究。毛曉東[1]以一座鐵路矮塔斜拉橋?qū)嵗秊楸尘?，采用梁單元與實體單元組合方式模擬了局部分析模型的邊界，探究了在不利荷載組合工況下索梁錨固區(qū)域的受力特性。呂文舒[2]等基于大型通用有限元軟件ANSYS，分析了在最大索力工況下雙索面矮塔斜拉橋索梁錨固區(qū)受力特性，對于主拉應力較大的錨固塊與邊腹板結合處、錨固處腹板與橫梁結合處等位置進行了配筋加強設計。張臖瞡[3]以一座鐵路矮塔斜拉橋為工程實例，采用ANSYS建立了索梁錨固局部分析模型，分析結果表明在斜拉索和預應力的共同作用下，錨塊絕大部位處于受壓狀態(tài)，拉應力主要分布在構造突變的局部位置且分布范圍很小不足以構成破壞，實測數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)相一致。

本文以某特大橋為工程背景，采用ABAQUS建立了空間有限元模型，分析了索梁錨固位置在不利荷載工況下的復雜受力情況，通過計算結果校核了配筋設計的合理性。

1 工程概況

某預應力混凝土矮塔斜拉橋，跨徑布置為108m+180m+108m，塔高60m，采用塔梁固結，墩梁分離的雙塔單索面形結構式。每個索塔上布置兩排斜拉索，每排16根，共32根。塔上拉索錨固點間距為1.5m。主梁采用預應力混凝土梁結構形式，截面形式為單箱三室截面，橋?qū)?4.5混凝土等級采用C60，跨中標準段梁高為3.2m，梁高高跨比為1/56.25。支點處梁高為6m，高跨比為1/30，采用二次拋物線漸變過渡。

跨中斷面箱梁底板厚度30cm，中腹板厚度50cm，邊腹板厚度55cm，邊箱頂板厚度28cm，中箱考慮拉索布置及受力需要設置為48cm。橋梁總體布置圖與主梁構造圖如圖1～圖3所示。

圖1 橋型立面布置圖(單位：cm)

圖2 跨中標準截面構造圖(單位：cm)

圖3 索梁錨固區(qū)構造圖(單位：cm)

本橋索塔總高度為60m，其中塔冠高度11m，主要為裝飾作用，除塔冠外塔柱高49m，主跨180m，橋面以上索塔高跨比為1/3.67，高于常規(guī)的矮塔斜拉橋塔高，通常矮塔斜拉橋塔柱高跨比為1/8-1/12[4～5]。本橋?qū)儆诟咚桶崩瓨?，拉索最小傾角為24°，拉索承擔豎向力比重較常規(guī)矮塔斜拉橋高[4]，索梁錨固區(qū)因承擔更大的拉索力受力顯得尤為復雜和重要。

2 索梁錨固區(qū)有限元建模

2.1 索梁錨固區(qū)有限元建模

整體計算結果表明16#斜拉索(B16)成橋索力最大，為3200KN。拉索連接的主梁為標準斷面，梁高為3.2m，對應的斜拉索為邊跨第16#斜拉索。按照圣維南原理，取局部模型的箱梁總長為12m，橫隔板置于節(jié)段中間位置，拉索的錨墊板為480mm×480mm× 60mm，墊板孔開孔直徑為255mm，橫梁內(nèi)設置兩束預應力鋼束，規(guī)格型號為19-φs15.2，由此采用大型有限元軟件ABAQUS建立的箱梁節(jié)段有限元模型如圖4所示，單元采用四面體C3D10單元與T3D4桁架單元，全節(jié)段一共約53萬個節(jié)點，19萬個單元，材料參數(shù)如表1所示。

圖4 索梁局部錨固區(qū)有限元建模

表1 材料參數(shù)表

2.2 荷載與邊界條件的設定

箱梁節(jié)段的斷面處施加固結約束，約束斷面上節(jié)點的三個平動自由度與三個轉動自由度。同時，錨墊板與混凝土之間的約束設定為ABAQUS中的面-面接觸，法向設置為硬接觸，切向考慮0.3的摩擦系數(shù)。

對于B16長索截面，該處位置在最不利荷載組合下的索力值為3200kN，將該索力以均布力的形式施加在錨墊板上，同時施加橫梁內(nèi)部橫向預應力鋼束的預應力，張拉應力取1395Mpa。

3 索梁錨固區(qū)應力分析

3.1 橫隔板與頂板交界處應力分析

基于《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》JTG 3362-2018對混凝土主拉應力的控制標準，在模型中設置輸出的主拉應力(第一主應力)云圖的上限值為1.96Mpa(C60的混凝土軸心抗拉強度設計值)，有限元模型的主拉應力超標范圍如圖5所示，其中淺色區(qū)域代表應力超標區(qū)域，有限元模型中所有的單位制均為國際標準單位制，長度為米、力為牛，應力為帕。

圖5 錨墊板下區(qū)域主拉應力云圖

從上圖中可以看出，錨墊板附近位置的主拉應力較為復雜，橫隔板與頂板交界位置，與中腹板交界位置均有較大的主拉應力區(qū)域，沿著頂板厚度方向上有較大的主拉應力區(qū)域且一直連通到頂板的上表面，孔道內(nèi)部亦有主拉應力超標區(qū)域。

頂板下緣與橫隔板交界位置處有較大的主拉應力，主拉應力超限區(qū)域在縱橋向上約有58cm，在頂板厚度方向上約有10cm深的超限區(qū)域，倒角處有約8.5cm深的主拉應力超標區(qū)。

對于主拉應力超標區(qū)域的實際應力大小分布情況及主拉應力方向情況如圖6所示：

圖6 交界處主拉應力超限區(qū)域應力大小

由上圖可知，大部分應力上限小于1.96Mpa的區(qū)域，局部小范圍超過為3.0Mpa，橫隔板與頂板交界的邊界處存在應力集中的情況，但是隨后會快速衰減。

為了探究主拉應力的變化規(guī)律，設置了橫向的路徑1和沿著頂板厚度方向的路徑2，提取兩個路徑上的應力值繪制沿程應力圖如圖7～圖8所示，可以明顯看到，在路徑1上靠近兩個洞口位置的主拉應力較大，可達到7Mpa以上；在路徑2上，主拉應力衰減較快，在15cm左右的范圍內(nèi)衰減至1.96Mpa以內(nèi)。

圖7 路徑1沿程應力大小變化圖

圖8 路徑2沿程應力大小變化圖

橫隔板與頂板交界處的混凝土的主拉應力方向為縱橋向，因此在進行配筋設計時，應加強縱向受力鋼筋的配置。

設計采取局部簡化積分的思路對最不利的剖面進行配筋驗算。本橋箱梁頂板處縱向鋼筋配置28mm直徑的鋼筋，按照間距150cm布置，經(jīng)驗算滿足局部受力要求。

3.2 錨墊板下混凝土應力分析

錨墊板下混凝土面應力分布情況如圖9所示：

圖9 錨墊板下主拉應力超標區(qū)域分布

上圖中淺色區(qū)域為即為主拉應力超標區(qū)域，主要分布在錨墊板附近一直延伸至倒角處，這是由于正方形區(qū)域內(nèi)混凝土單元在錨墊板壓力的作用下會被壓縮而帶動周圍的表層混凝土受拉，導致附近區(qū)域主拉應力超標但深度并不深，主拉應力的方向主要垂直于各個邊界。

在錨墊板直接作用的區(qū)域受到巨大的索壓力，錨墊板下混凝土主壓應力基本均在C60的混凝土軸心抗壓強度設計值26.5Mpa以內(nèi)，錨墊板矩形區(qū)域內(nèi)應力分布合理。主壓應力的方向基本垂直于混凝土平面，由外向內(nèi)有一定的擴散。

3.3 拉索背面橫隔板混凝土分析結果

在拉索強大的索力作用下，橫隔板背側的混凝土的應力場同樣會受到影響，該處區(qū)域應力結果分布情況如圖10所示：

圖10 橫隔板背側主拉應力大小

由上圖可知，上方混凝土受拉變形后帶動門洞上方混凝土受拉導致其余主拉應力超標。在豎向上，越靠近上邊線，主拉應力越大，局部應力最大處可以達到3.53Mpa左右，主拉應力方向豎直向上。

在受到斜拉索強大的索力作用下，橫隔板背側同樣存在主拉應力超標區(qū)域，主要分布在上方結構轉角處，縱橋向上的深度為6cm左右。

3.4 拉索孔道內(nèi)部混凝土分析結果

在拉索孔道內(nèi)部同樣存在混凝土主拉應力超標區(qū)域。在強大的錨墊板壓力作用下，洞口有擴大的趨勢因此導致在孔道內(nèi)存在主拉應力方向為環(huán)向的超標區(qū)域，主拉應力超標區(qū)域長度約為53cm，最大應力可以達到3.6Mpa，主拉應力方向沿著圓弧的切向。

4 結 語

本文通過建立索梁錨固區(qū)實體模型，分析了該橋在最不利荷載工況下成橋狀態(tài)時索梁錨固區(qū)受力性能，結論如下：

(1)橫隔板與頂板交界處的混凝土的超標區(qū)域主拉應力均值最大，分布范圍最廣，拉索孔道直上方的交界處主拉應力遠超混凝土軸心受拉強度設計值，方向為縱橋向，在頂板厚度方向上超標區(qū)域最深處可以達到1/3頂板厚度，縱橋向自交界處向背離橫隔板方向延伸約一倍頂板厚度。

橫隔板與頂板交界處是索梁錨固區(qū)應力集中效應最為明顯的地方，設計時應予以重視?？赏ㄟ^設置合適的倒角尺寸及加強局部配筋，將抗裂驗算控制在規(guī)范容許范圍內(nèi)，避免該處應力集中導致裂縫的發(fā)生和發(fā)展。

(2)錨墊板下混凝土平面內(nèi)存在較大面積的主拉應力超標區(qū)域，主要分布在正方形區(qū)域四周延伸至倒角處，但主要存在于表層混凝土，深度并不深。主要原因是正方形區(qū)域內(nèi)混凝土受壓往下變形，帶動周圍混凝土受拉。錨墊板區(qū)域內(nèi)混凝土主壓應力小于混凝土軸心抗壓強度設計值。

(3)橫隔板背面門洞上方存在較大區(qū)域的主拉應力超標區(qū)域，主拉應力最大約一至兩倍軸心抗拉強度設計值，方向為豎向，在板厚方向上的深度有限。

(4)孔道內(nèi)部由于孔道被壓縮，有擴張撕裂的趨勢，導致存在主拉應力超標區(qū)域，主拉應力的方向為環(huán)向，設計需注意加強相應螺旋箍筋的配置。