斜拉橋U形預(yù)應(yīng)力索塔錨固區(qū)受力與抗開裂試驗(yàn)研究

王 鑫，陳 明，張同卓，施 洲

(1. 臨沂市政集團(tuán)有限公司，山東 臨沂 276000；2. 沭陽(yáng)縣住建局，江蘇 宿遷 223699；3. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

斜拉橋索塔錨固區(qū)直接承載斜拉索傳遞的集中力，其構(gòu)造復(fù)雜，應(yīng)力集中顯著，易開裂，是關(guān)系到橋塔乃至斜拉索耐久性的關(guān)鍵部位。為防止混凝土索塔錨固區(qū)開裂，常在索塔內(nèi)布置預(yù)應(yīng)力筋來抵御錨固區(qū)附近的局部拉應(yīng)力。針對(duì)斜拉橋索塔錨固區(qū)的開裂問題，不少學(xué)者對(duì)不同預(yù)應(yīng)力構(gòu)造形式下索塔錨固區(qū)的受力特性進(jìn)行了深入的研究。Cui等[1]基于拉壓桿模型理論對(duì)比分析U形預(yù)應(yīng)力和單縱向預(yù)應(yīng)力兩類索塔錨固區(qū)的受力，結(jié)果表明U形預(yù)應(yīng)力體系索塔錨固區(qū)受力更合理。張亮亮等[2]采用有限元仿真分析對(duì)一斜拉橋索塔錨固區(qū)進(jìn)行空間受力分析，驗(yàn)證了該橋塔井字形預(yù)應(yīng)力束布置形式的合理性。牟兆祥等[3]以椒江特大橋?yàn)楣こ瘫尘埃捎糜邢拊治龅姆椒▽?duì)向U形束、井字形直束2種預(yù)應(yīng)力筋布束方式進(jìn)行比選，結(jié)果表明U形布束方式更為合理、經(jīng)濟(jì)。劉超等[4]以沭河景觀大橋?yàn)楣こ瘫尘?，利用有限元分析比較了4種不同的環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋布置形式，結(jié)果表明，橫橋向開口交替布置U形預(yù)應(yīng)力筋是最合理的布置形式。目前，對(duì)向開口的U形預(yù)應(yīng)力筋已經(jīng)成為橋塔預(yù)應(yīng)力束布置的主要形式之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者[5-11]進(jìn)一步開展U形預(yù)應(yīng)力下索塔錨固區(qū)局部受力的理論和試驗(yàn)研究。朱經(jīng)緯等[12]采用變密度拓?fù)鋬?yōu)化法構(gòu)建斜拉橋索塔錨固區(qū)拉壓桿模型，并進(jìn)行U形預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)及驗(yàn)算，研究表明，采用變密度拓?fù)鋬?yōu)化構(gòu)形法可得到索塔錨固區(qū)的主要傳力路徑。劉釗等[13]分別采用斜向加載和水平加載的方式模擬斜拉索，從而對(duì)潤(rùn)揚(yáng)大橋北汊斜拉橋索塔節(jié)段開展足尺模型試驗(yàn)，并結(jié)合仿真分析研究了塔身U形預(yù)應(yīng)力束的施工工藝和索塔錨固區(qū)應(yīng)力水平，并給出了索塔的開裂及破壞荷載。張晉等[14]對(duì)某斜拉橋索塔錨固區(qū)進(jìn)行有限元分析和模型試驗(yàn)，研究表明，預(yù)應(yīng)力較好地抵消了索力效應(yīng)，索塔整體處于受壓狀態(tài)且受力均勻。除針對(duì)索塔錨固區(qū)預(yù)應(yīng)力下受力特性的研究外，也有不少學(xué)者[15-16]針對(duì)索塔錨固區(qū)節(jié)段整體的力學(xué)性能進(jìn)行研究。洪彧等[17]開展雙鉆形聯(lián)體橋塔混凝土結(jié)構(gòu)索塔錨固區(qū)的足尺模型試驗(yàn)，并結(jié)合有限元仿真分析，其認(rèn)為在索孔處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，并建議采用鋼套筒和局部加強(qiáng)鋼筋進(jìn)行加固。李躍等[18]以非對(duì)稱六邊形截面索塔錨固區(qū)為背景，開展足尺模型試驗(yàn)并結(jié)合有限元分析其受力狀況，結(jié)果表明，易裂危險(xiǎn)區(qū)位于橋塔折線形長(zhǎng)邊與短邊連接部位的外側(cè)以及折線形長(zhǎng)邊內(nèi)壁。

既有文獻(xiàn)表明，索塔錨固區(qū)復(fù)雜的受力特性已經(jīng)得到廣泛關(guān)注，不同的結(jié)構(gòu)形式及預(yù)應(yīng)力布置方式導(dǎo)致其受力差異明顯，環(huán)狀U形預(yù)應(yīng)力索塔錨固區(qū)的局部受力值得進(jìn)一步研究。在此，依托蘇州西路跨淮沭新河大橋，基于有限元仿真分析及橋塔節(jié)段足尺模型試驗(yàn)，詳細(xì)分析U形預(yù)應(yīng)力筋索塔錨固區(qū)的受力與傳力機(jī)理，為類似結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供參考。

1 工程概況

淮沭新河大橋主橋?yàn)?70+90)m獨(dú)塔雙索面斜拉橋，大橋承載雙向六車道，設(shè)計(jì)時(shí)速為60 km，設(shè)計(jì)荷載為城-A汽車荷載。橋塔采用門式造型，塔頂至承臺(tái)頂面高69.5 m。大橋立面及橋塔布置如圖1所示。橋塔塔柱采用單箱單室箱型截面，橫橋向?qū)? m，壁厚0.70～0.75 m；塔柱縱橋向長(zhǎng)5.5 m，壁厚1.45 m，截面四個(gè)角點(diǎn)設(shè)置R=0.25 m的圓倒角。橋塔頂面設(shè)置一道弧形變高度橫梁，橋塔構(gòu)造如圖2所示。全橋共設(shè)置30對(duì)斜拉索，采用平行雙索面扇形布置；斜拉索直接錨固在混凝土索塔內(nèi)壁凹槽上，共15個(gè)索塔節(jié)段，各索塔錨點(diǎn)豎向間距為1.8 m。在索塔平截面內(nèi)設(shè)置對(duì)向交錯(cuò)布置的U形15-φj15.2 mm鋼絞線預(yù)應(yīng)力筋N1，N2，每個(gè)節(jié)段內(nèi)布置5束U形預(yù)應(yīng)力筋，如圖2所示。塔柱和橫梁均采用C50混凝土，頂端斜拉索采用面積為9 274.7 mm2，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 670 MPa的高強(qiáng)鍍鋅平行鋼絲。

圖1 大橋及橋塔立面布置(單位：cm)Fig.1 Vertical layout of bridge and pylon (unit：cm)

2 索塔受力特性仿真分析

2.1 索塔有限元模型

為系統(tǒng)研究斜拉橋索塔錨固區(qū)受力特性，采用ANSYS有限元軟件建立橋塔節(jié)段模型并開展計(jì)算分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，并考慮圣維南原理，建立高19.4 m的8節(jié)段索塔有限元模型，見圖3。模型中，C50混凝土采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元SOLID65模擬，彈性模量為34.5 GPa，泊松比取0.2；預(yù)應(yīng)力筋采用2節(jié)點(diǎn)空間桿單元LINK8模擬，彈性模量為195 GPa，泊松比取0.3；鋼錨固槽和錨墊板等鋼板采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元SOLID45模擬，彈性模量為205 GPa，泊松比取0.3。模型中，混凝土考慮材料非線性，材料的峰值壓應(yīng)變?chǔ)?=0.002，極限壓應(yīng)變?chǔ)與u=0.003 3，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示；鋼板和預(yù)應(yīng)力筋材料按線彈性考慮。鋼板和混凝土采用幾何法建模，采用四面體及六面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，混凝土網(wǎng)格尺寸為50 mm，錨墊板等鋼板網(wǎng)格尺寸為10 mm；預(yù)應(yīng)力筋采用直接建節(jié)點(diǎn)及單元的方法建模。模型共2 420 587個(gè)單元，1 041 747個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3 有限元分析模型(單位：m)Fig.3 Finite element analysis model(unit：m)

圖4 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve of concrete

模型中，鋼板、預(yù)應(yīng)力筋單元和混凝土單元之間采用耦合節(jié)點(diǎn)3個(gè)平動(dòng)自由度的方式建立連接。采用約束橋塔節(jié)段模型底面所有節(jié)點(diǎn)自由度的方法模擬塔柱固結(jié)約束。在模型加載時(shí)，為了解U形預(yù)應(yīng)力筋作用的影響，單獨(dú)設(shè)置U形預(yù)應(yīng)力工況，此外設(shè)置U形預(yù)應(yīng)力和斜拉索索力共同作用的索力組合工況。其中，U形預(yù)應(yīng)力采用初應(yīng)變施加，斜拉索索力按照均布面力施加于錨墊板承壓面。模型中X方向?yàn)榭v橋向，Z方向?yàn)闄M橋向，Y方向?yàn)樨Q向。

2.2 索塔應(yīng)力分布特性

2.2.1 U形預(yù)應(yīng)力筋平面應(yīng)力分布規(guī)律分析

為考察U形預(yù)應(yīng)力筋作用下索塔的應(yīng)力分布規(guī)律，沿索塔橫向選取1個(gè)U形預(yù)應(yīng)力筋考察截面“S-S”，見圖2(a)，提取2個(gè)工況下“S-S”平面X方向和Z方向應(yīng)力等值線，如圖5，圖6所示。由圖5可知，U形預(yù)應(yīng)力工況下，混凝土索塔截面內(nèi)總體受壓，索塔長(zhǎng)壁(X方向)最大預(yù)壓應(yīng)力位于內(nèi)表面，量值為-4.5 MPa，且向外表面逐漸減小；短壁(Z方向)預(yù)壓應(yīng)力介于-6.0～-2.0 MPa，由外表面向內(nèi)表面逐漸減小。此外，U形預(yù)應(yīng)力筋圓弧段外部區(qū)域混凝土處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，其中短壁側(cè)為X向受拉、Z向受壓，長(zhǎng)壁側(cè)則為X向受壓、Z向受拉，拉應(yīng)力介于1.5～2.0 MPa；U形預(yù)應(yīng)力筋錨固處存在拉應(yīng)力集中，為2.0 MPa。

圖5 混凝土U形預(yù)應(yīng)力工況應(yīng)力等值線(單位：MPa)Fig.5 Stress contours of concrete under U-shaped prestressing condition (unit：MPa)

圖6 混凝土索力組合工況應(yīng)力等值線(單位：MPa)Fig.6 Stress contours of concrete cable force combination working condition (unit：MPa)

由圖6可見，索力與U形預(yù)應(yīng)力筋組合工況下，平面內(nèi)仍以壓應(yīng)力為主，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在短壁斜拉索孔道處，為-10.0 MPa，并向四周迅速減小，沿徑向向外20 cm后，壓應(yīng)力大小趨于平穩(wěn)，為-2.5 MPa，索塔長(zhǎng)壁應(yīng)力水平較低且較為平順，介于-2.5～0 MPa。與U形預(yù)應(yīng)力工況相比，索塔長(zhǎng)壁內(nèi)部區(qū)域壓應(yīng)力由-4.5 MPa降低至-1.5 MPa，短壁外部區(qū)域由-6.0 MPa降低至-4.0 MPa，塔壁其余位置應(yīng)力水平變化較小。可見，索塔長(zhǎng)壁內(nèi)部和短壁外部區(qū)域?yàn)槭芰﹃P(guān)鍵區(qū)域，預(yù)應(yīng)力能夠有效抵消斜拉索產(chǎn)生的拉應(yīng)力。此外，U形預(yù)應(yīng)力筋圓弧段同樣存在1.5～2.0 MPa的拉應(yīng)力，U形預(yù)應(yīng)力筋錨固處存在2.0 MPa的拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，需要配置一定的普通鋼筋以防開裂。

2.2.2 索塔錨固區(qū)局部應(yīng)力分布規(guī)律

索塔錨固區(qū)凹槽錨固面受力集中，構(gòu)造復(fù)雜，為研究索塔錨固區(qū)局部應(yīng)力分布規(guī)律，提取2個(gè)工況下索塔錨固區(qū)的主壓、主拉應(yīng)力云圖分別如圖7，圖8所示。

圖7 索塔錨固區(qū)混凝土單元主壓應(yīng)力云圖(單位：MPa)Fig.7 Cloud charts of main compressive stress of concrete unit in cable-pylon anchorage zone (unit：MPa)

圖8 索塔錨固區(qū)混凝土單元主拉應(yīng)力云圖(單位：MPa)Fig.8 Nephograms of principal tensile stress of concrete unit in cable-pylon anchorage zone (unit：MPa)

由圖7可見，U形預(yù)應(yīng)力工況下，索塔錨固區(qū)最大主壓應(yīng)力為-14.0 MPa，出現(xiàn)在斜拉索孔道塔壁外表面處，并沿內(nèi)壁方向降低至-1.6 MPa，斜拉索孔道處存在一定應(yīng)力集中。索力組合工況下，凹槽錨固面出現(xiàn)應(yīng)力集中，其主壓應(yīng)力值達(dá)-16.0 MPa，并沿孔道方向向四周迅速減小至-7.1 MPa；短壁外表面橫橋向中部區(qū)域主壓應(yīng)力由-7.5 MPa降至-4.0 MPa，長(zhǎng)壁內(nèi)表面倒角處主壓應(yīng)力由-6.2 MPa降至-2.5 MPa，絕大部分區(qū)域受壓明顯。由圖8可見，U形預(yù)應(yīng)力工況下，錨固區(qū)凹槽側(cè)面與頂面交界處出現(xiàn)最大主拉應(yīng)力，值為1.0 MPa。索力組合工況下，在靠近錨墊板平面處存在局部應(yīng)力集中，其最大主拉應(yīng)力2.5 MPa。在索力作用下錨固區(qū)凹槽側(cè)面受拉較為明顯，由短壁內(nèi)表面沿索力方向逐漸增加至2.5 MPa。有限元模擬結(jié)果表明，U形預(yù)應(yīng)力索塔錨固區(qū)存在凹槽局部出現(xiàn)高拉應(yīng)力區(qū)，可通過局部加強(qiáng)普通鋼筋布置的措施以避免混凝土發(fā)生開裂[14]。

3 足尺模型試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

為進(jìn)一步研究橋塔索塔錨固區(qū)的實(shí)際受力特性，選取斜拉索索力最大的第15對(duì)斜拉索(編號(hào)C15，C15′)節(jié)段并基于應(yīng)力等效原則開展足尺模型試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)加載安全并考慮便于索力加載，將橋塔旋轉(zhuǎn)180°倒置于地面，在節(jié)段模型頂部設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力混凝土反力板，通過千斤頂結(jié)合鋼絞線實(shí)現(xiàn)自平衡加載，根據(jù)內(nèi)力等效原則，采用31-φj15.2 mm的鋼絞線模擬斜拉索，經(jīng)過有限元分析，考慮圣維南效應(yīng)和U形預(yù)應(yīng)力筋在索塔內(nèi)相對(duì)位置，將原橋1.8 m 的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段延伸0.33 m，橋塔模型最終設(shè)計(jì)長(zhǎng)5.5 m，寬3.0 m，高2.13 m，錨固區(qū)細(xì)部尺寸與原橋相同。通過計(jì)算分析確定加載反力板長(zhǎng)10.19 m，寬3.0 m，高1.0 m，并沿反力板長(zhǎng)度方向布置4束15-φj15.2 mm預(yù)應(yīng)力筋。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牧⒚鎴D見圖9。試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎门c原橋相同的材料，U形預(yù)應(yīng)力筋采用與原橋相同的15-φj15.2 mm鋼絞線束，橋塔采用C50混凝土，鋼絞線抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa，彈性模量為195 GPa；混凝土彈性模量為34.5 GPa。

圖9 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D(單位：cm)Fig.9 Schematic diagrams of test model (unit：cm)

3.2 試驗(yàn)加載

試驗(yàn)加載中，為研究U形預(yù)應(yīng)力筋對(duì)控制截面的壓力儲(chǔ)備與防開裂的關(guān)系，考察正常使用情況下索塔錨固區(qū)的應(yīng)力大小與應(yīng)力分布，設(shè)置U形預(yù)應(yīng)力單獨(dú)作用在U形預(yù)應(yīng)力工況，之后張拉斜拉索為索力組合工況。其中，U形預(yù)應(yīng)力筋按照自上而下的順序張拉，采用與原橋相同的兩端張拉，控制張拉力2 929.5 kN，每束預(yù)應(yīng)力張拉完畢后，讀取各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)。在索力組合工況中，為獲取模型各部分應(yīng)力隨荷載的變化關(guān)系，設(shè)計(jì)索力按20%荷載梯度逐級(jí)加載至設(shè)計(jì)索力并逐級(jí)卸載，C15設(shè)計(jì)索力P為5 400 kN，C15′設(shè)計(jì)索力P為5 650 kN。

3.3 測(cè)點(diǎn)布置

為了解2個(gè)工況下索塔錨固區(qū)局部應(yīng)力大小和應(yīng)力分布情況，在試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻婧蛢?nèi)部共設(shè)置204個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，分為3個(gè)區(qū)布置。其中，A區(qū)為斜拉索錨固區(qū)凹槽附近區(qū)域，測(cè)點(diǎn)選取在區(qū)域內(nèi)定位鋼筋(A1～A12)與縱向普通鋼筋交接處，鋼應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置于縱橋向普通鋼筋；B區(qū)為短壁斜拉索出塔口處兼顧受力不利的外部區(qū)域，鋼應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置于區(qū)域內(nèi)定位鋼筋(B1～B4)；C區(qū)為5個(gè)U形預(yù)應(yīng)力筋所在橋塔節(jié)段橫截面(C1～C5)兼顧索塔長(zhǎng)壁內(nèi)表面，鋼應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置于U形預(yù)應(yīng)力筋兩側(cè)普通鋼筋，混凝土應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置于長(zhǎng)壁內(nèi)表面。應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置如圖10所示，A區(qū)和B區(qū)測(cè)點(diǎn)沿模型橋塔短壁方向選取5個(gè)考察截面(1～5)，布點(diǎn)于考察截面與定位鋼筋的交界點(diǎn)處，編號(hào)形式為定位鋼筋編號(hào)-截面號(hào)，如A3-1(注：斜拉索孔道處定位鋼筋未貫穿，A7～A12號(hào)定位鋼筋上3號(hào)截面處無(wú)測(cè)點(diǎn))；C區(qū)U形預(yù)應(yīng)力筋兩側(cè)鋼應(yīng)變測(cè)點(diǎn)采用“區(qū)號(hào)層號(hào)-點(diǎn)號(hào)”編號(hào)，如C1-12，長(zhǎng)壁內(nèi)表面混凝土應(yīng)變測(cè)點(diǎn)編號(hào)為CH1～CH20。

圖10 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)Fig.10 Layout of test model measuring points(unit：cm)

4 索塔錨固區(qū)試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)應(yīng)力結(jié)果分析

試驗(yàn)中索塔最大及最小應(yīng)力等代表性測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)力隨5束U形預(yù)應(yīng)力筋自上而下逐根張拉，斜拉索張拉與卸載的變化如圖11所示，其與計(jì)算應(yīng)力值的對(duì)比如表1所示。

表1 索塔錨固區(qū)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值對(duì)比Tab.1 Comparison of stress values of measuring points in cable-pylon anchorage zone

圖11 索塔代表性測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線Fig.11 Stress change curves of representative measuring points of cable-pylon

由圖11(a)可見，U形預(yù)應(yīng)力工況下，A區(qū)測(cè)點(diǎn)位于塔內(nèi)，其預(yù)壓應(yīng)力隨U形預(yù)應(yīng)力筋張拉數(shù)量增加逐漸增大，且增幅較為均勻；B區(qū)測(cè)點(diǎn)和C區(qū)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力受測(cè)點(diǎn)與所張拉U形預(yù)應(yīng)力筋距離的影響，張拉距離相近的U形預(yù)應(yīng)力筋時(shí)應(yīng)力增幅較大，如張拉第3根預(yù)應(yīng)力筋時(shí)，測(cè)點(diǎn)B3-3處應(yīng)力呈階梯狀由-0.56 MPa增加至-6.62 MPa。由圖11(b)可見，索力組合工況下，錨固面沿索力方向向下延伸區(qū)域(A3-3)壓應(yīng)力隨索力增大而線性增大；其余位置壓應(yīng)力隨索力增大而線性減小，表明索力作用下塔壁不同位置處受力差異顯著，局部集中受力效應(yīng)明顯。在斜拉索索力加、卸載過程中，索塔各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力與荷載等級(jí)呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，處于彈性工作狀態(tài)，承載能力較好且有一定安全余量。

由表1可見，U形預(yù)應(yīng)力工況下，塔壁內(nèi)以受壓為主，由于斜拉索孔道的削弱作用，索塔在測(cè)點(diǎn)B3-3處存在局部應(yīng)力集中情況，最大壓應(yīng)力為-7.41 MPa；隨著預(yù)應(yīng)力數(shù)量增加，受到泊松效應(yīng)影響，U形預(yù)應(yīng)力筋圓弧段的擠壓作用使得預(yù)應(yīng)力筋圓弧段外側(cè)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為0.97 MPa，位于測(cè)點(diǎn)C3-9。索力組合工況下，索塔錨固區(qū)出現(xiàn)應(yīng)力集中，當(dāng)加載到1.0倍設(shè)計(jì)索力時(shí)，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在斜拉索錨固面測(cè)點(diǎn)A3-3，值為-14.58 MPa；斜拉索錨固區(qū)凹槽側(cè)面混凝土因位于錨固面之后而受拉，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)A9-2，為1.53 MPa，小于規(guī)范規(guī)定的容許值2.65 MPa。由實(shí)測(cè)應(yīng)力結(jié)果可見，索塔錨固區(qū)最不利位置位于斜拉索錨固區(qū)凹槽側(cè)面。2個(gè)工況下，橋塔模型應(yīng)力實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的絕對(duì)誤差均在2 MPa內(nèi)，凹槽側(cè)面A9-2測(cè)點(diǎn)相對(duì)誤差較大，原因在于其應(yīng)力絕對(duì)值相對(duì)較小，且有限元模型倒角處存在一定應(yīng)力奇點(diǎn)效應(yīng)。其余位置測(cè)點(diǎn)相對(duì)誤差在15%以內(nèi)，應(yīng)力水平相符良好且變化規(guī)律一致。

4.2 U形預(yù)應(yīng)力筋對(duì)錨固區(qū)抗裂效果分析

為進(jìn)一步研究U形預(yù)應(yīng)力筋加強(qiáng)索塔錨固區(qū)抗裂性能的實(shí)際效果，基于試驗(yàn)實(shí)測(cè)與計(jì)算應(yīng)力結(jié)果以探究其抗拉作用效應(yīng)，引入斜拉索索力單項(xiàng)應(yīng)力效應(yīng)p(以拉為正，且主要考慮受拉區(qū))，并在其基礎(chǔ)上定義索塔錨固區(qū)抗裂系數(shù)λ。

p=σ2-σ1，

(1)

λ=(σ2+ftk)/p，

(2)

式中，σ1為U形預(yù)應(yīng)力筋作用下索塔錨固區(qū)的壓應(yīng)力值，受壓為負(fù)；σ2為索力組合工況下索塔的應(yīng)力值；ftk為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度，橋塔C50混凝土取值2.65 MPa。索塔各結(jié)構(gòu)部位代表性測(cè)點(diǎn)索力效應(yīng)p和抗裂系數(shù)λ見表2。

表2 各部位實(shí)測(cè)與計(jì)算抗裂系數(shù)Tab.2 Measured and calculated crack resistance coefficients of each part

由表2可知，索塔錨固凹槽附近區(qū)域、短壁和長(zhǎng)壁抗裂系數(shù)實(shí)測(cè)值分別為1.38，3.49和2.64均大于開裂限值1.0，表明U形預(yù)應(yīng)力筋為索塔錨固區(qū)提供了有效的預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備，錨固區(qū)具有良好的抗開裂性能。錨固凹槽附近區(qū)域抗裂系數(shù)最小，其原因在于凹槽側(cè)面受索力下錨固面變形拉動(dòng)而形成的局部拉應(yīng)力區(qū)，是受力最不利局部區(qū)域。索塔短壁的抗裂系數(shù)大于長(zhǎng)壁，則是由于短壁厚度大于長(zhǎng)壁，且短壁自內(nèi)壁向外受壓而長(zhǎng)壁則由短壁較為均勻傳遞拉應(yīng)力，符合索塔長(zhǎng)壁承受斜拉索水平力的實(shí)際情況。有限元模型的計(jì)算抗裂系數(shù)和試驗(yàn)抗裂系數(shù)總體相符，但在錨固區(qū)局部測(cè)點(diǎn)有較大差異，理論計(jì)算抗裂系數(shù)偏小，其原因在于有限元模型中錨固區(qū)凹槽倒角出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，而試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭胁⑽礈y(cè)得較大拉應(yīng)力。

5 結(jié)論

基于斜拉橋U形預(yù)應(yīng)力索塔錨固區(qū)有限元仿真分析和足尺模型試驗(yàn)，探究了索塔錨固區(qū)各部位的受力特性和傳力機(jī)理，得出以下結(jié)論。

(1)U形預(yù)應(yīng)力筋平面內(nèi)整體處于受壓狀態(tài)，U形預(yù)應(yīng)力工況下，索塔長(zhǎng)、短壁實(shí)測(cè)最大預(yù)壓應(yīng)力分別為-6.10，-7.41 MPa。索力組合工況下，索塔長(zhǎng)壁內(nèi)部與短壁外部區(qū)域?qū)崪y(cè)壓應(yīng)力值大幅下降至-2.78，-4.43 MPa，下降后塔壁內(nèi)應(yīng)力水平較為平順，說明預(yù)應(yīng)力可以很好地抵消索力產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

(2)2個(gè)工況下，U形預(yù)應(yīng)力筋圓弧段外側(cè)混凝土均處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，存在1.5～2.0 MPa的拉應(yīng)力。U形預(yù)應(yīng)力筋錨固處存在2.0 MPa拉應(yīng)力集中，建議采用加強(qiáng)防裂鋼筋網(wǎng)等構(gòu)造措施以防止開裂。

(3)索塔錨固區(qū)以受壓為主，索力組合工況下，斜拉索錨固面出現(xiàn)壓應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為-14.58 MPa，壓應(yīng)力向四周迅速降低，凹槽側(cè)面存在拉應(yīng)力集中，最大拉應(yīng)力為1.53 MPa，小于規(guī)范容許值2.65 MPa，為受力最不利截面，錨固區(qū)內(nèi)仍以受壓為主，說明U形預(yù)應(yīng)力筋為索塔錨固區(qū)提供了足夠的壓應(yīng)力儲(chǔ)備。

(4)橋塔節(jié)段應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值絕對(duì)誤差均在2 MPa內(nèi)，應(yīng)力水平基本良好，除凹槽側(cè)面測(cè)點(diǎn)相對(duì)誤差較大外，其余位置測(cè)點(diǎn)相對(duì)誤差在15%以內(nèi)，各測(cè)點(diǎn)荷載-應(yīng)力基本呈線性關(guān)系，結(jié)構(gòu)仍處于彈性受力狀態(tài)，索塔錨固區(qū)受力性能良好。

(5)抗裂系數(shù)實(shí)測(cè)值最小為1.38，出現(xiàn)在錨固區(qū)凹槽側(cè)面，大于開裂限值1.0，表明U形預(yù)應(yīng)力筋為錨固區(qū)提供有效的預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備，使其具有良好的受力與抗開裂性能。