某斜拉橋索塔錨固區(qū)應(yīng)力分析

王 靜

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，山西 太原 030012）

1 引言

隨著高速公路不斷建設(shè)，公路網(wǎng)日益加密，很多地方因地形原因需要建設(shè)特大跨徑的橋梁，而連續(xù)剛構(gòu)和斜拉橋成為最常用的橋型。200m 以上跨徑，尤其以斜拉橋最為常見。在日常設(shè)計中，常規(guī)計算僅僅能分析拉索和主梁的受力情況，對于大體積的下部結(jié)構(gòu)分析相對欠缺，尤其對于斜拉索索塔錨固區(qū)等應(yīng)力集中部分，因受力復(fù)雜，分析精度較差。

而斜拉橋索塔的拉索錨固區(qū)是斜拉橋的重要結(jié)構(gòu)部位, 需將拉索的強大局部集中力安全、均勻地傳遞到塔柱, 其構(gòu)造及受力相當(dāng)復(fù)雜,特別是拉索局部強大集中力及預(yù)應(yīng)力鋼束錨固力的作用,對結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力的分布影響很大，常規(guī)的力學(xué)分析難以全面反映結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)和應(yīng)力分布。為此,最直接、有效的方法是采用實體有限元模型進行模擬分析。

2 工程概況

某雙塔斜拉橋采用134+430+134m 鋼桁梁結(jié)構(gòu)(如圖1)，半飄浮體系，塔墩固結(jié)、塔梁分離。主梁采用2 片主桁，平行弦鋼桁梁，矩形橫斷面，桁高13m，桁間距18m，節(jié)間長度13.5m。主桁采用N 形桁式，其上、下弦桿均為箱形截面，采用焊接整體節(jié)點的結(jié)構(gòu)形式，桿件最大板厚50mm。橋面采用整體正交異性鋼橋面板，其上設(shè)置15cm 厚的鋼筋混凝土道碴槽板。主桁與橋面系均采用Q370qD 材質(zhì)的鋼材。橋塔順橋向為單柱式、橫橋向為花瓶形(折線H 形），塔柱與橫梁均為空心矩形截面。除下橫梁與上塔柱索塔錨固區(qū)布置預(yù)應(yīng)力外，橋塔其余部分均為C50 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。塔高分別為187m。全橋共布置56 對斜拉索，斜拉索采用鍍鋅高強鋼絲束，按平行的扇形雙索面布置，塔上索距為2.5 ～4m、梁上索距均為13.5m。為減少錨固點上非鉸效應(yīng)的影響，梁端錨具設(shè)計成球鉸。

圖2 S12 ～S9 索錨固區(qū)實體分析模型

圖3 錨固區(qū)齒板局部

3 有限元模型的建立[1]

利用ANSYS 建立的計算模型，計算主要位置的應(yīng)力，混凝土單元和錨墊板、承壓板采用塊體單元、預(yù)應(yīng)力鋼束采用桿單元。其中，混凝土和錨墊板、承壓板采用solid64 單元，預(yù)應(yīng)力鋼索采用link8 單元。

取隔離體進行分析，根據(jù)對計算結(jié)果的多次比較可知，模型上端面不約束，不影響計算結(jié)果，下端面約束僅僅影響最下面一個塔段，對于次下塔段的應(yīng)力幾乎沒有任何影響。因此本次計算以考慮索力水平分量最大的塔段S11 為研究對象，建立了與其緊鄰的S9 ～S12 塔段進行分析。模型的上端面距塔頂9.25m。

按實際布置設(shè)置相應(yīng)的井字型預(yù)應(yīng)力，采用實體單元，考慮預(yù)埋鋼管、齒板、錨墊板等構(gòu)造細節(jié)。邊界條件采用將最下部所有節(jié)點進行固結(jié)的方式。

4 模型計算結(jié)果[2-3]

為驗證索塔錨固區(qū)是否安全，應(yīng)力儲備是否可靠，需要明確索塔錨固區(qū)應(yīng)力狀態(tài)，以指導(dǎo)索塔錨固區(qū)的設(shè)計配筋。保證適當(dāng)?shù)陌踩珒洌M而保障成橋的安全使用。斜拉橋主要承受的荷載為自重、恒載、預(yù)應(yīng)力及活載，溫度荷載在本次計算中暫不考慮。

為了能準確把握索錨固區(qū)附近塔壁應(yīng)力分布情況，用實體、路徑、截面等顯示應(yīng)力（圖中應(yīng)力單位均為MPa）。其中各個符號意義表示如下：

（1）實體應(yīng)力云圖中：SZYLx 代表順橋向正應(yīng)力、SZYLy 代表橫橋向正應(yīng)力、SZYLz 代表豎向正應(yīng)力、SJYLx 代表順橋向剪應(yīng)力、SJYLy 代表橫橋向剪應(yīng)力、SJYLz 代表豎向剪應(yīng)力、S1 代表第一主應(yīng)力、S3 代表第三主應(yīng)力。其中Tabi代表塔壁實體應(yīng)力云圖，Chiban 代表齒板應(yīng)力云圖。

（2）截面中，其中SZYLx 代表順橋向正應(yīng)力、SZYLy 代表橫橋向正應(yīng)力、SZYLz 代表豎向正應(yīng)力、SJYLx 代表順橋向剪應(yīng)力、SJYLy 代表橫橋向剪應(yīng)力、SJYLz 代表豎向剪應(yīng)力、S1 代表第一主應(yīng)力、S3 代表第三主應(yīng)力。斷面為水平面，豎向位置在對應(yīng)塔段的中間。

經(jīng)分析，齒板在承受自重、恒載、預(yù)應(yīng)力及活載作用下，受力較為集中，變化較大，齒板第一主應(yīng)力最大為2.33MPa，齒板第一主應(yīng)力最小為-2.36MPa；齒板第三主應(yīng)力最大為-3.82MPa，齒板第三主應(yīng)力最小為-25.00MPa，如圖4～5所示。

圖4 S11 齒板第一主應(yīng)力

圖5 S11 齒板第三主應(yīng)力

經(jīng)分析，臺壁在承受自重、恒載、預(yù)應(yīng)力及活載作用下，受力較為集中，應(yīng)力變化較大，臺壁第一主應(yīng)力最大為2.5MPa，臺壁第一主應(yīng)力最小為-1.99MPa；臺壁第三主應(yīng)力最大為-0.92MPa，臺壁第三主應(yīng)力最小為-12.40MPa，如圖6 ～7 所示。

圖6 S11 臺壁第一主應(yīng)力

圖7 S11 臺壁第三主應(yīng)力

經(jīng)分析，臺壁在承受自重、恒載、預(yù)應(yīng)力及活載作用下，受力較為集中，剪應(yīng)力變化較大，臺壁順橋向剪應(yīng)力最大為5.15MPa，最小為-2.9MPa；臺壁橫橋向剪應(yīng)力最大為3.8MPa，最小為-3.95MPa；臺壁豎向剪應(yīng)力最大為2.48MPa，最小為-2.97MPa，如圖8 ～10 所示。

圖8 S11 臺壁順橋向剪應(yīng)力

圖9 S11 臺壁橫橋向剪應(yīng)力

圖10 S11 臺壁豎向剪應(yīng)力

經(jīng)分析，臺壁在承受自重、恒載、預(yù)應(yīng)力及活載作用下，受力較為集中，剪應(yīng)力變化較大，臺壁順橋向正應(yīng)力最大為2.54MPa，最小為-11.07MPa；臺壁橫橋向正應(yīng)力最大為3.63MPa，最小為-8.94MPa；臺壁豎向正應(yīng)力最大為1.15MPa，最小為-4.16MPa，如圖11 ～13 所示。

圖11 S11 臺壁順橋向正應(yīng)力

圖12 S11 臺壁橫橋向正應(yīng)力

圖13 S11 臺壁豎向正應(yīng)力

經(jīng)有限元分析，臺壁在承受自重、恒載、預(yù)應(yīng)力及活載作用下，典型位置應(yīng)力如表1。

表1 典型位置應(yīng)力表

從上述分析結(jié)算結(jié)果可以看出，索塔錨固區(qū)在自重、恒載、預(yù)應(yīng)力及活載的綜合作用下，應(yīng)力十分復(fù)雜。索塔錨固區(qū)由于錨索集中荷載作用，且錨索應(yīng)力很大，此區(qū)域應(yīng)力十分不均勻，應(yīng)力在每個方向應(yīng)力變化巨大。通過對索塔錨固區(qū)的分析可知，在索塔錨固區(qū)每個斷面的不同區(qū)域，應(yīng)力差別較大，設(shè)計中應(yīng)精確分析，以最大應(yīng)力處控制配筋設(shè)計，在設(shè)計時應(yīng)該相對保守，安全儲備是加大，以保證橋梁的安全。

按本計算結(jié)果，指導(dǎo)本橋索塔錨固區(qū)的鋼束布置，可以得出各主要節(jié)點在最大索力階段的正應(yīng)力大于1.5MPa，主壓應(yīng)力小于6.4MPa，主拉應(yīng)力小于0.5MPa。各項均滿足規(guī)范要求，安全儲備足夠，能夠保證結(jié)構(gòu)的安全[4]。索塔錨固區(qū)各個局部的拉壓應(yīng)力均在容許的范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，并且沒有出現(xiàn)鋼材浪費的問題，方案相對經(jīng)濟、穩(wěn)妥、安全。

由于該局部應(yīng)力比較復(fù)雜，計算結(jié)果與實際施工有差距，為了保證結(jié)構(gòu)在承載能力和正常使用下均安全，需要施工過程進行嚴格控制，主要注意控制張拉的預(yù)應(yīng)力大?。蜕扉L量的雙重控制），對錨具回縮量、鋼絞線的松弛率等的按設(shè)計要求進行控制、對鋼絞線的位置（特別是斷面上位置）進行控制。

5 結(jié)論

通過采用實體模型對索塔錨固區(qū)進行分析，可以得出以下結(jié)論：

①索塔錨固區(qū)受力集中，應(yīng)力復(fù)雜，常規(guī)分析很難了解真實的應(yīng)力狀態(tài)，需要采用實體有限元模擬計算；

②為保證索塔錨固區(qū)的安全，該處設(shè)計應(yīng)加大重視程度，通過實體模型分析可以保證設(shè)計方案中經(jīng)濟、穩(wěn)妥、安全，避免預(yù)壓應(yīng)力過大或鋼材浪費的問題；

③由于該局部應(yīng)力比較復(fù)雜，計算結(jié)果與實際施工有差距，為了保證結(jié)構(gòu)在承載能力和正常使用下均安全，需要施工過程進行嚴格控制，主要注意控制張拉的預(yù)應(yīng)力大?。蜕扉L量的雙重控制），對錨具回縮量、鋼絞線的松弛率等的按設(shè)計要求進行控制、對鋼絞線的位置（特別是斷面上位置）進行控制。