混凝土自錨式懸索橋主纜錨固區(qū)應(yīng)力分析

文清良 ，廖東陽

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海 200092；2.上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司，上海 200092）

0 引言

混凝土自錨式懸索橋因其造型美觀，后期維護(hù)費(fèi)用較低，不局限于地基差、錨錠修建困難的地區(qū)，近年在國內(nèi)取得快速發(fā)展。其主纜錨固區(qū)是將主纜索力安全傳遞到主梁的重要部位，為平衡強(qiáng)大的索力，通常需要在錨固區(qū)布置預(yù)應(yīng)力束，為使錨固區(qū)的受力更加合理，還必須優(yōu)化其結(jié)構(gòu)尺寸和預(yù)應(yīng)力的布置形式、數(shù)量，這使得錨固區(qū)的受力更加復(fù)雜。為準(zhǔn)確了解錨固區(qū)的應(yīng)力分布狀況，必須對(duì)其進(jìn)行精細(xì)的有限元仿真分析。本文以張家港鎮(zhèn)山大橋主橋工程為例，利用有限元程序?qū)ζ渲骼|錨固區(qū)進(jìn)行空間分析，總結(jié)了此類橋梁主纜錨固區(qū)的受力特點(diǎn)，為此類橋梁的設(shè)計(jì)者提供參考。

1 工程概況

鎮(zhèn)山大橋位于張家港濱江新城，跨越張家港河，道路等級(jí)為城市主干路，機(jī)動(dòng)車道為雙向6車道，兩側(cè)各有3 m寬的人行道和3.5 m寬的非機(jī)動(dòng)車道，橋面總寬44 m。主橋是一座雙塔混凝土自錨式懸索橋，主跨120 m，邊跨50 m，全長220 m（見圖1）。主梁為三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)邊箱結(jié)構(gòu)，梁高2.28 m，左右邊箱通過T形梁連接，橋面板厚0.28 m；主纜中心距28.5 m，吊索沿順橋向間距4.9 m；索塔為H形鋼筋混凝土構(gòu)件，塔柱為實(shí)心矩形截面；基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)。主纜錨固于主梁兩端，錨固構(gòu)造如圖2所示。

2 錨固區(qū)的計(jì)算模型和邊界條件

圖1 主橋結(jié)構(gòu)布置圖

圖2 主纜錨固區(qū)構(gòu)造圖

主纜錨固區(qū)局部應(yīng)力分析采用有限元程序midas FEA計(jì)算，為避免邊界效應(yīng)的影響，計(jì)算模型所取范圍較大，其縱向取從主梁端部到向主跨方向的第五根吊桿位置（約37.7 m），其橫向取橋?qū)挼囊话耄硪话雽?duì)稱），豎向按梁的實(shí)際高度情況變化，計(jì)算模型的尺寸與橋梁實(shí)際尺寸相同。總體坐標(biāo)系x方向?yàn)闃蛄嚎v向，y方向?yàn)闄M向，z方向?yàn)樨Q向。計(jì)算模型見圖3所示。

圖3 主纜錨固區(qū)計(jì)算模型

主纜、吊桿的錨固點(diǎn)作為均布?jí)毫虞d在與錨墊板面積一致的混凝土表面（索力和吊桿力取最大值作為計(jì)算值），散索鞍的壓力均布加載在鞍座底部，橫梁作為均布剪力加載在橫梁與主梁的混凝土接觸面，橋面系荷載均布加載在橋面，分析中考慮了扣除損失后的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)（預(yù)應(yīng)力布置見圖4），未考慮普通鋼筋對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。計(jì)算中將整個(gè)結(jié)構(gòu)視為勻質(zhì)彈性體，混凝土彈性模量取34500 MPa，泊松比取 0.2，容重取 26 kN/m3，預(yù)應(yīng)力筋彈性模量取1.95 GPa，泊松比取0.3，容重取78.5 kN/m3。

圖4 主纜錨固區(qū)三向預(yù)應(yīng)力布置圖示

混凝土采用實(shí)體單元，預(yù)應(yīng)力筋采用鋼筋單元，均有x、y、z三個(gè)方向的自由度。縱向主梁的遠(yuǎn)端約束縱向、豎向的平動(dòng)位于和繞三個(gè)方向的轉(zhuǎn)角位移，端橫梁遠(yuǎn)端為對(duì)稱約束，邊墩支座處約束豎向位移。

3 錨固區(qū)混凝土的應(yīng)力結(jié)果

由于在邊界條件的附近，實(shí)體模型計(jì)算結(jié)果容易失真，而模型的中間主纜錨固區(qū)部分較能真實(shí)地反應(yīng)結(jié)構(gòu)的受力情況，因此，計(jì)算結(jié)果僅取模型的中間主纜錨固區(qū)范圍的計(jì)算結(jié)果作為應(yīng)力分析值。

圖5為主纜錨固區(qū)縱向應(yīng)力分布圖。從圖5可以看出，由于主纜和縱向預(yù)應(yīng)力的作用，錨固區(qū)混凝土縱向以受壓為主，在預(yù)應(yīng)力未布置到的地方，混凝土存在較小的拉應(yīng)力，這些地方需要依靠普通鋼筋防止混凝土開裂。

圖5 主纜錨固區(qū)縱向應(yīng)力分布圖

圖6為主纜錨固區(qū)橫橋向應(yīng)力分布圖。從圖6可以看出，由于橫向預(yù)應(yīng)力的作用，錨固區(qū)混凝土橫向以受壓為主，錨固區(qū)下方的一個(gè)預(yù)應(yīng)力粗鋼筋錨固點(diǎn)附近，產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，設(shè)計(jì)需要對(duì)此加強(qiáng)普通鋼筋布置。

圖6 主纜錨固區(qū)橫橋向應(yīng)力分布圖

圖7為主纜錨固區(qū)豎向應(yīng)力分布圖。從圖7可以看出，由于主纜和豎向預(yù)應(yīng)力的作用，錨固區(qū)混凝土豎向以受壓為主，拉應(yīng)力均出現(xiàn)在豎向預(yù)應(yīng)力筋未布置到的地方，這些地方需要依靠普通鋼筋防止混凝土開裂。在錨固區(qū)底部的支座部位（該處設(shè)有邊界條件），有一較大的集中壓應(yīng)力，設(shè)計(jì)中，該處應(yīng)注意設(shè)置支座墊板和加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)片。

圖7 主纜錨固區(qū)豎向應(yīng)力分布圖

4 結(jié)語

通過對(duì)鎮(zhèn)山大橋主纜錨固區(qū)的三維有限元實(shí)體模型的分析可以看出，混凝土錨固區(qū)的截面設(shè)計(jì)和預(yù)應(yīng)力布置是合理的，能夠較好地抵抗錨固區(qū)所承受的復(fù)雜外力作用。在預(yù)應(yīng)力筋的錨固點(diǎn)和支座附近，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，應(yīng)該在這些部位采取鋼墊板、加強(qiáng)普通鋼筋布置等措施，以防止混凝土開裂和影響結(jié)構(gòu)的耐久性，確保結(jié)構(gòu)安全。

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