斜拉橋索塔錨固區(qū)在兩種預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)作用下的力學(xué)性能對比分析

孟遠遠

(新疆建筑設(shè)計研究院，新疆烏魯木齊830006)

斜拉橋的索塔錨固區(qū)是將拉索的局部集中力安全、均勻地傳遞到塔柱全截面的關(guān)鍵構(gòu)造。索塔錨固區(qū)主要受斜拉索巨大的空間斜向索力、預(yù)應(yīng)力筋的錨固力、孔洞削弱、楔形尺塊構(gòu)造缺陷等因素的影響，使該區(qū)域處于復(fù)雜的空間三維應(yīng)力狀態(tài)，受力狀態(tài)十分復(fù)雜，因此，斜拉橋索塔錨固區(qū)力學(xué)性能的探討一直以來備受關(guān)注[1]。

本文以主橋為(81+162+432+162+81)m的特大鋼桁梁斜拉橋為工程背景進行對比分析，該橋分上、下兩層橋面布置，橋塔總高181.9m。該橋是目前世界上單點錨固索力最大的斜拉橋。

1 有限元模型

1.1 預(yù)應(yīng)力鋼束布置概況

為了使這兩種方案具有可比性，“U”形預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)采用12-15.2的鋼絞線、彎曲半徑為1.6m；“井”形預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)采用7-15.2的鋼絞線，彎曲半徑為4m。預(yù)應(yīng)力鋼束均采用高強低松弛鋼絞線，其抗拉強度標準值為1 860MPa，張拉控制應(yīng)力為1 116MPa[4]。這樣使兩種模型中的預(yù)應(yīng)力鋼束數(shù)量基本相同，僅在預(yù)應(yīng)力鋼束的布置形式上有較大差別。

1.2 模型的選取

通過斜拉橋整體靜力分析可知橋塔頂部斜拉索的索力最大且傾角最小，水平拉力最大，故取橋塔的最上端S14號塔段作為研究對象，分別建立該塔段在兩種預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)作用下的有限元模型。兩種預(yù)應(yīng)力體系在S14塔段內(nèi)的布置形式參見圖1。

考慮到圣維南原理(邊界效應(yīng)對分析區(qū)域受力的影響)及楔形錨固齒塊之間的相互影響，又考慮到計算機計算時間等因素，從塔頂往下截取3.4m長的節(jié)段(僅包含S14塔段)。

1.3 建模

建模時混凝土采用SOLID45單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用LINK8單元模擬，網(wǎng)格劃分時定義單元最大邊長不超過20cm。模型中兩種預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的空間有限元模型參見圖2。

(a)“U”形預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)

(b)彎曲“井”形預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)

模型按實際情況考慮了孔洞削弱、楔形尺塊構(gòu)造缺陷等因素的影響，并對模型施加了斜向索力、預(yù)應(yīng)力筋的錨固力，盡可能的模擬了橋塔的真實受力情況。

1.4 模型的邊界條件

1.4.1 位移邊界條件

模型上端面不約束；模型全部底面節(jié)點約束豎向變形，底面長邊中線約束順橋向變形，底面短邊中線約束橫橋向變形。

圖2 有限元模型

1.4.2 力邊界條件

重力的模擬：采用施加加速度的方式模擬結(jié)構(gòu)重力。

預(yù)應(yīng)力作用的模擬：預(yù)應(yīng)力鋼束采用Link8單元模擬，預(yù)應(yīng)力采用單元降溫的方式施加。

預(yù)應(yīng)力鋼束與混凝土相互作用的模擬：采用耦合法，將預(yù)應(yīng)力鋼束與其最近的節(jié)點耦合起來模擬混凝土與預(yù)應(yīng)力鋼束的共同作用。

斜拉索索力的模擬：斜拉索索力按最不利工況組合值取用(索力大小見表2)，將最不利工況下得到的索力以等效表面壓力施加在錨墊板上，施加面積為模型中錨墊板的面積，作用方向垂直于錨墊板。

1.5 荷載工況及計算中用到的參數(shù)

計算了常遇工況一：重力+預(yù)應(yīng)力+運營索力(表1、表2)。

表1 計算參數(shù)[4]

表2 塔段S14索力

2 計算結(jié)果

在設(shè)計預(yù)應(yīng)力混凝土橋塔時水平方向的拉應(yīng)力為設(shè)計時的主要控制因素，因此這里主要觀察水平方向的應(yīng)力情況。

通過截面應(yīng)力云圖對比分析兩種結(jié)構(gòu)作用下索塔錨固區(qū)的力學(xué)性能，截面應(yīng)力云圖的位置參見圖3。

圖3 截面位置示意

工況一作用下1、2截面應(yīng)力分布云圖見圖4、圖5。

3 結(jié)論

通過以上計算結(jié)果可知彎曲“井”形預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)與以往索塔錨固區(qū)中常用的“U”形預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)相比，彎曲“井”形預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)具有以下特點。 度削弱大小影響更大，圓形孔開孔面積比六邊形開孔面積大，對蜂窩梁腹板剛度造成的削弱就更大，因此六邊形孔蜂窩梁臨界彎矩值大于圓形孔蜂窩梁臨界彎矩值；當(dāng)s/h>0.5時，蜂窩梁整體穩(wěn)定性受腹板連續(xù)性影響更大，腹板開設(shè)六邊形孔洞時的連續(xù)性要比開設(shè)圓形孔時的連續(xù)性要差，因此對蜂窩梁的整體穩(wěn)定性影響更大；當(dāng)s/h趨近于0.7時，腹板開設(shè)孔洞時對梁的剛度削弱并不明顯，也就是開設(shè)孔洞對梁的整體穩(wěn)定性影響不大，在一定程度上可以忽略不計。因此，在蜂窩梁開設(shè)洞口時，當(dāng)s/h<0.5時，開設(shè)六邊形孔更為有利，蜂窩梁整體穩(wěn)定性主要受腹板剛度影響，當(dāng)0.50.7，開設(shè)六邊形孔和圓形孔基本相同，蜂窩梁整體穩(wěn)定性受腹板開設(shè)洞口影響很小。

圖4 1-1剖面順橋向正應(yīng)力

3 結(jié)論

綜上所述，得到以下結(jié)論。

(1)蜂窩梁的彎扭屈曲失穩(wěn)形態(tài)與實腹式梁彎扭屈曲失穩(wěn)形態(tài)基本吻合，在蜂窩梁整體穩(wěn)定性分析中可以借鑒實腹式梁整體穩(wěn)定性分析方法進行分析，在實際蜂窩梁的設(shè)計工程中，可以在實腹式梁的基礎(chǔ)上進行一定的修正來得到蜂窩梁的整體穩(wěn)定性計算。

(2)六邊形孔及圓形孔蜂窩梁臨界彎矩值基本相近，開設(shè)孔洞形狀并不明顯改變蜂窩梁的整體穩(wěn)定性，從某種意義上說蜂窩梁整體穩(wěn)定性受腹板開孔形狀的影響不大，蜂窩梁的開孔主要是受使用功能、美觀等因素的影響；在蜂窩梁的整體穩(wěn)定性分析可以借鑒任意一種形狀孔洞的蜂窩梁進行分析，在實際設(shè)計工程中，對于蜂窩梁的整體穩(wěn)定性設(shè)計時，都可以借鑒同一個穩(wěn)定性設(shè)計方法進行設(shè)計，在設(shè)計時，開孔形狀主要滿足功能和美觀的要求。

(3)當(dāng)s/h<0.5時，蜂窩梁整體穩(wěn)定性主要受腹板剛度影響，開設(shè)六邊形孔更為有利，當(dāng)0.50.7，蜂窩梁整體穩(wěn)定性受腹板開設(shè)洞口影響很小，開設(shè)六邊形孔和圓形孔基本相同。

[1] 楊壇.基于ANSYS圓孔蜂窩鋼梁承載力研究[D].廣西大學(xué)，2007

[2] 周緒紅，鄭宏.鋼筋鉤穩(wěn)定[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004