斜拉橋橋塔錨固區受力分析

陳自福

(安徽省交通投資集團)

0 引言

斜拉索在橋塔中的錨固多采用環向預應力、鋼錨箱和鋼錨梁幾種錨固方法。其中已建和在建的斜拉橋中，普遍采用混凝土橋塔，橋塔為主要受力構件，橋塔上的拉索錨固部位是一個將拉索的局部集中力安全、均勻地傳送到塔柱的重要受力構造，其受力狀況是否合理是大橋建成后能否正常運營的關鍵。因此，拉索錨固位置也是施工過程中需要控制的關鍵工序。

環向預應力的拉索錨固形式斜拉索的水平力均需要橋塔混凝土壁板來承受，混凝土壁板的受力較鋼錨箱、鋼錨梁更為不利。鋼錨箱主要依靠自身的側面拉板承受水平力，混凝土壁板承受部分水平力;而鋼錨梁則是獨立的拉索錨固構建，拉索水平力全部依靠鋼錨梁自身平衡不直接作用在混凝土塔壁上。本文分別以采用環向預應力、鋼錨箱的兩種混凝土斜拉橋橋塔拉索錨固區為研究對象，應用大型通用有限元程序ANSYS，對索塔錨固區進行了空間仿真分析，揭示其受力特點，為施工技術人員提供參考。

1 采用混凝土錨塊的橋塔拉索錨固區受力分析

該類橋塔，為平衡拉索在索塔上塔柱的拉索錨固區段產生的拉應力，一般采用大噸位、小半徑的環向預應力鋼束布置。在斜拉索和環向預應力鋼束的作用下，塔柱受力復雜且局部應力集中現象非常明顯，因此應進行局部應力分析，揭示該區域的受力特征和應力分布規律對施工技術人員理解該類結構有著重大意義。

1.1 工程實例

某斜拉橋主橋橋型采用123 m+75 m的獨塔雙索面斜拉橋方案，塔、梁、墩固結，不設置輔助墩。主塔采用“八”形索塔，兩個直立塔柱;主梁采用分離式箱形混凝土主梁;斜拉索采用空間扇形雙索面;主塔基礎、邊墩基礎均為鉆孔樁基礎;主要施工工藝為主塔爬模施工、主跨主梁采用懸臂澆筑施工、邊跨主梁采用移動支架現澆施工。

1.2 有限元分析模型

(1)幾何模擬。

由于塔頂部位斜拉索索力最大且傾角小，水平拉力大，因此選則橋塔上半段作為分析對象。利用通用有限元軟件Ansys建立空間有限原模型，采用實體單元solid95進行網格劃分。有限元模型高18.0 m，共計14.9萬個單元，23.0萬個節點。

(2)材料參數。

索塔混凝土均采用C55，計算過程中彈性模量取3.55×104MPa，波松比1/6，軸心抗壓設計強度 24.4 MPa，軸心抗拉設計強度1.89 MPa。預應力鋼絞線的彈性模量取1.95×105MPa，波松比 0.3;平行鋼絲的彈性模量取 2.05×105MPa，波松比 0.3。

(3)預應力模擬。

主塔拉索錨固區節段受力復雜，且存在諸多不確定因素，如小半徑環向預應力筋預應力損失難以準確計算。計算過程中結合工程實際，對上述不確定因素進行了符合實際工程計算精度所需的假定，力求在簡單、適用、合理的前提下，對索塔錨固區的空間應力場的分布進行準確模擬。用link8單元模擬預應力鋼筋，采用施加初應變的方法模擬預應力。對于預應力直束采用PES7-61的規格，考慮85%的有效預應力，施加初應變4.893×10-3;對于環向預應力鋼絞線采用φ15～19的規格，考慮80%的有效預應力，施加初應變5.723 × 10-3。

(4)邊界條件。

為了準確模擬斜拉橋索塔錨固區模型的邊界條件，模擬下塔柱對計算節段的約束作用。將模型節段底面的所有節點的Z(豎向)方向進行約束，X(順橋向)和Y(橫橋向)均用彈簧單元模擬下塔柱對計算節段的約束。彈簧剛度通過在Midas Civil空間桿系程序中獲得，橫橋向剛度為2.726×10-6(N/mm)，順橋向剛度為3.976×10-6(N/mm)。采用了1/2模型，在橫橋向橋塔中線處施加了對稱約束，通過對稱約束的施加能夠真實模擬索塔計算節段的受力特性。

1.3 荷載施加

索塔計算節段的混凝土的容重按照26 kN/m3計算，索塔頂面部分的混凝土重量按照均布力的形式施加，索塔計算節段頂面部分總重為984 672 N;拉索索力以集中力的形式施加到各個拉索錨點對應位置。

1.4 計算工況

分析過程中采用了三個工況：工況1：僅張拉索塔預應力鋼束工況;工況2：成橋索力作用工況;工況3：活載作用下最不利工況。

1.5 計算結果

(1)工況1

從應力云圖3可以看出除了預應力錨固點以及斜拉索錨下應力失真區域的主應力超過JTG D62-2004規定的短期荷載組合作用下的A類預應力混凝土構件主應力允許值范圍-21.3～1.37 MPa之外，其他部位應力值基本滿足規范要求。最大主拉應力值不超過1.5 MPa。同時可以看出，橋塔長邊塔壁和短邊塔壁內外側橫向正應力水平較低，最大拉應力力0.05 MPa，最小壓應力小于1.0 MPa。

(2)工況2

從應力云圖4可以看出短期荷載組合作用下橋塔混凝土主應力值基本在-21.3～1.37 MPa之間，滿足規范要求。同時可以看出，橋塔長邊塔壁和短邊塔壁外側絕大部分區域的橫向正應力計算值在JTG D62-2004規定的短期荷載組合作用下的A類預應力混凝土構件允許值范圍-17.75～1.918 MPa之內，滿足規范要求。

(3)工況3

從橋塔塔壁長邊和短邊內外側主應力云圖5、6可以看出橋塔長邊塔壁和短邊塔壁內外側絕大部分區域的主拉應力和主壓應力計算值滿足JTG D62-2004要求。局部角隅處正應力偏大，主要是由于模擬錨下應力失真引起，不影響結構正常使用性能。同時可以看出，橋塔長邊塔壁和短邊塔壁內外側絕大部分區域的橫向正應力計算值滿足JTG D62-2004要求。局部角隅處正應力偏大，主要是由于模擬錨下應力失真引起，不影響結構正常使用性能。

圖1 工況1塔壁內側主應力云圖

圖2 工況1塔壁外側主應力云圖

圖3 工況2塔壁內側主應力云圖

圖4 工況3塔壁外側主應力云圖

2 采用鋼錨箱的橋塔拉索錨固區受力分析

該類橋塔，鋼錨箱主要由側面拉板、端部承壓板、腹板、錨板、錨墊板、橫隔板、連接板、加勁肋等部分組成。其受力特點是：兩側斜拉索的水平分力大部分由錨箱的側面拉板承受，塔柱也承受部分水平分力;斜拉索豎向分力主要通過錨箱端部的剪力釘傳遞到塔柱混凝土上。

2.1 工程實例

某鋼箱梁斜拉橋，主塔采用倒Y形，包括上塔柱、中塔柱、下塔柱和下橫梁。塔柱采用空心箱形斷面，索塔錨索區最終采用鋼錨箱錨固。斜拉索索力通過錨墊板和錨箱腹板傳至拉板，大部份水平力由拉板承受;錨箱節段最小高度2 300 mm，主拉板厚度40 mm，高1 300 mm，為方便施工，在拉板上設置高1 000 mm的孔洞;在兩塊拉板之間設置橫隔板，其主要作用是對拉板產生加勁，兼做斜拉索施工時的平臺，橫隔板為厚度10 mm帶肋鋼板，上面開有人孔。鋼錨箱與索塔之間依靠剪力釘連接并承擔斜拉索的豎向分力，剪力釘采用直徑22 mm的圓頭焊釘，長200 mm，間距通過計算確定。錨箱節段之間工地連接采用焊接連接。

2.2 有限元分析模型

(1)幾何模擬。

為準確計算錨索區的應力分布情況，模型取塔頂斷面尺寸小，索力最大的五個連續節段加上A34斜拉索節段以上的一個2.3 m高節段，共六個節段進行計算模擬。六個節段的模型尺寸、鋼套筒位置、斜拉索傾角均按取自塔頂最大索力節段。由于結構對稱，荷載對稱，為減少模型節點數量，節省計算時間，結構可取1/4來計算。計算模型見圖5。

圖5 鋼錨箱索塔錨索區1/4模型

(2)材料參數。

索塔混凝土均采用C50，計算過程中彈性模量取3.50×104MPa，波松比1/6，軸心抗壓設計強度 22.4 MPa，軸心抗拉設計強度1.83 MPa。鋼板的彈性模量取2.06×105MPa，波松比0.3。混凝土采用三維實體單元solid65;80 mm厚的鋼墊板采用三維實體元solid45;其它鋼錨箱鋼板均采用三維板殼元shell93。

圖6 錨索區混凝土結構特征點分布圖

(3)邊界條件。

底層節點豎向Z方向位移被約束，底面側向的抗推剛度計算同1.2.4。順橋向中心斷面上的節點順橋向X方向采用對稱約束，橫橋向中心斷面節點Y方向也采用對稱約束。

2.3 荷載施加

在模型的鋼墊板的面上施加均布力，沿從上至下豎向分別施加J34～J30索力。索力施加值見下表1。

表1 鋼墊板索力施加表

2.4 計算工況

采用鋼錨箱的索塔拉索錨固區分析過程側重點與采用環向預應力的索塔錨固區略有不同。本次分析過程中采用五個工況，分別如下。

工況1：混凝土收縮(降溫15℃);

工況2：成橋索力施加;

工況3：最大極值索力施加;

組合一：工況1+工況2;

組合二：工況1+工況3。

2.5 計算結果

(1)錨索區鋼筋混凝土結構應力。

計算給出錨索區共六個節段控制斷面上特征點處的應力，混凝土結構上的特征點分布見圖6，圖6的座標系與圖7中的座標系相同。計算結果描述如下。

工況1僅在收縮完成后，順橋向控制斷面外側1～13節點壓應力為-0.7～-0.8 MPa左右;內側21～33節點拉應力為1.5～1.7 MPa左右。工況2僅在成橋索力作用下，順橋向控制斷面外側1～13節點壓應力集中在-2.0 MPa左右，極值為-2.49 MPa;內側21～33節點拉應力集中在3.0 MPa左右，極值為3.73 MPa。工況3僅在最大索力作用下，順橋向控制斷面外側1～13節點壓應力集中在-2.5 MPa左右，極值為-3.02 MPa;內側21～33節點拉應力集中在4.0 MPa左右，極值為4.61 MPa。在組合1作用下，順橋向控制斷面外側1～13節點壓應力集中在-2.7 MPa左右，極值為-3.29 MPa;內側21～33節點拉應力集中在5.0 MPa左右，極值為5.52 MPa。在組合2作用下，順橋向控制斷面外側1～13節點壓應力集中在-3.5 MPa左右，極值為-3.82 MPa;內側21～33節點拉應力集中在5.5 MPa左右，極值為6.36 MPa。由于橫橋向控制斷面內側61～73節點受錨箱頂底30 mm厚鋼板的影響，橫橋向應力分布極不均勻。工況1僅在收縮完成后，橫橋向控制斷面外側41～53節點拉應力為0.9 MPa左右;內側61～73節點拉應力為2.0 MPa左右。工況2僅在成橋索力作用下，橫橋向控制斷面外側41～53節點拉應力集中在5.0 MPa左右，極值為5.64 MPa;內側61～73節點壓應力在-0.8 MPa左右。工況3僅在最大索力作用下，橫橋向控制斷面外側41～53節點拉應力集中在6.0 MPa左右，極值為6.9 MPa;內側61～73節點壓應力在-0.9 MPa左右。在組合1作用下，橫橋向控制斷面外側41～53節點拉應力集中在6.0 MPa左右，極值為6.73 MPa;內側61～73節點拉應力在1.2 MPa左右。在組合2作用下，橫橋向控制斷面外側41～53節點拉應力集中在7.0 MPa左右，極值為7.99 MPa;內側61～73節點拉應力在1.3 MPa左右。

(2)錨索區鋼錨箱應力。

鋼錨箱拉板N1和橫隔板計算給出錨索區共五個節段控制斷面上特征點處的應力，N1鋼板和橫隔板上的特征點分布見圖7。各種荷載作用下N1鋼板和橫隔板順橋向正應力見表2。

表2 N1鋼板和橫隔板特征點順橋向正應力表MPa

從計算結果來看，不考慮收縮徐變，工況2成橋索力作用下，N1拉板最大拉應力87.8 MPa;考慮收縮徐變，工況2成橋索力作用下，N1拉板最大拉應力70.0 MPa。不考慮收縮徐變，工況3最大索力作用下，N1拉板最大拉應力107.7 MPa;考慮收縮徐變，工況2成橋索力作用下，N1拉板最大拉應力90.0 MPa。

圖7 N1鋼板上的特征點分布

圖8 工況2作用下鋼錨箱von Mises應力

鋼錨箱其他鋼板在工況2、工況3作用下順橋向正應力圖、橫橋向正應力和von Mises應力圖限于篇幅不一一列出。從圖10中可以看出，除N8鋼板與N1鋼板連接的上下角處、橫隔板板與N1鋼板連接的邊角處出現較大應力集中現象外，其他鋼板應力水平均不高。

3 結語

(1)斜拉橋索塔拉索錨固區受力分析時要根據索采用的錨固形式如環向預應力、鋼錨箱和鋼錨梁有針對性的進行精細化模擬和選擇分析工況，才能準確掌握它的受力特性。對于環向預應力的錨固形式，模擬的重點是環向預應力;對于鋼錨箱或者鋼錨梁模擬的重點則是鋼錨箱或者鋼錨梁。

(2)通過分析可以看出在混凝土橋塔塔壁內側角隅位置容易出現應力集中，塔壁施工過程中要控制好角隅位置鋼筋間距、定位，加強角隅位置的混凝土振搗，確保角隅位置施工質量，不留安全隱患。

(3)通過分析可以看出鋼錨箱的拉板位置應力集中程度嚴重，施工過程中需要注意對鋼錨箱拉板位置的保護，不要產生意外碰撞或劃傷，給結構造成先天損傷。

(4)斜拉索錨固區應力分析過程中在計算速度能夠保證的前提下適宜多取幾個塔柱節段進行分析，重點查看中間區段的應力可以有效避免邊界條件引起的模擬失真，保證結算結果的可靠性。

(5)索塔節段應力分析過程中為了準確模擬邊界條件，可以通過彈簧模擬下塔柱對計算節段的約束作用，彈簧的剛度由下塔柱的抗推剛度模擬。同時為了節約計算時間，可以采用1/2模型或者1/4模型，在對稱面上施加對稱約束即可。

(6)通過計算分析采用環向預應力和鋼錨箱都可以使橋塔處在良好的受力狀態，應該根據橋梁跨徑、結構受力和施工難易程度在環向預應力、鋼錨箱和鋼錨梁之間選擇合理的橋塔拉索錨固形式。

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