某鋼桁加勁梁斜拉橋索塔錨固區節段模型有限元分析

李　雁

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司　武漢　430063)

某鋼桁加勁梁斜拉橋索塔錨固區節段模型有限元分析

李雁

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司武漢430063)

摘要以某鋼桁加勁梁斜拉橋為背景，利用有限元軟件對索塔錨固區進行受力分析。通過增大預應力損失，分析比較混凝土索塔的受力情況。結果表明：混凝土索塔錨固區配置預應力是必要的。當預應力損失為40%時，使塔壁混凝土最大主拉應力大于容許主拉應力，開始產生裂縫。預應力損失的增加，使塔壁混凝土最大主壓應力減小，但均滿足規范的要求。塔壁混凝土在預應力束張拉、錨固端和斜拉索錨固端均表現為應力集中，應對其進行加強處理。

關鍵詞加勁梁斜拉橋索塔錨固區預應力損失有限元分析

在斜拉橋混凝土索塔的拉索錨固區，為平衡拉索傳遞的水平分力，并防止塔柱在使用荷載下出現過大裂縫，通常在索塔箱壁內設置U形環向預應力束。由于索塔尺寸的限制，預應力束曲線段半徑通常很小，其半徑在 1.5 m左右[1]。

目前，由于這種大噸位小半徑環向預應力彎曲角度比較大，其預應力損失也較大。考慮施工過程中的種種因素，索塔錨固區U形環向預應力束的有效預應力較我國現行規范計算的要少[2-3]。本文以某鋼桁加勁梁斜拉橋為背景，利用有限元軟件對索塔錨固區進行建模分析[4]，進而確定預應力損失的極限值，為類似橋梁索塔U形環向預應力束的設置提供參考。

混凝土索塔縱橋方向壁厚為1.2 m，橫橋方向索塔壁厚為0.8 m。在2.5 m高度范圍內，布置4根U形環向預應力束，其平面布置示意見圖1。

圖1　混凝土索塔錨固區環向預應力束

1空間分析模型

1.1　有限元模型

計算采用Midas FEA程序，自索塔頂部到底部建立3個節段(3對索)局部模型，索塔混凝土采用體單元，預應力束采用鋼筋梁單元，未模擬普通鋼筋，模型共計18 140個節點，82 746個單元。節段全模型見圖2，預應力束模型見圖3。

圖2　索塔節段全模型

圖3　預應力束有限元模型

1.2　計算參數

(1) 混凝土。采用C50，根據相應規范取其材料參數。

(2) 荷載。自重及3個節段共計6根索力，采用主塔塔頂最大索力以實際空間角度按等效節點荷載施加于主塔錨固區，見表1。

表1　索力荷載參數表

(3) 邊界條件。由于模型節段一共3段，邊界對上面部分節段影響小，故采用節段模型底部固結的邊界約束條件。

1.3　荷載工況

考慮預應力損失，分別對各工況下主塔受力情況進行分析，荷載工況見表2。

表2　索塔混凝土預應力損失工況

1.4　容許應力

(1) 容許主拉應力。《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTGD62-2004)第6.3.1條，對于A類和B類預應力混凝土現場澆筑構件，在作用短期效應組合下，C50混凝土容許主拉應力為0.5ftk=0.5×2.65=1.33 MPa。

(2) 容許主壓應力。參考《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTGD62-2004)，C50混凝土容許主壓應力為0.6×32.4=19.44 MPa。

(3) 混凝土的正截面容許拉應力(名義拉應力)。參考《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTGD62-2004)第6.4.2條，部分預應力B類受彎構件的裂縫寬度，可用構件受拉邊混凝土的名義拉應力控制。鋼筋混凝土構件和B類預應力混凝土構件，其計算的最大裂縫寬度不應超過0.1 mm。

(4) 考慮到大跨度斜拉橋的重要性，裂縫寬度按0.1 mm限制。則對于C50混凝土預應力后張構件，構件高度大于1 m，混凝土容許名義拉應力為5.0×0.7=3.5 MPa，這個拉應力應該對應的是正截面拉應力。

依據上述分析，斜拉橋主塔塔壁C50混凝土容許應力見表3。

表3　C50混凝土容許應力　MPa

注：容許主壓應力和正截面容許拉應力供參考，不要求必須滿足。

2計算結果

為消除邊界條件的影響，從3個節段中取第一節段計算結果進行分析，以下各應力云圖單位均為MPa。由于篇幅限制，僅列出工況1、工況5和工況6的計算結果。

(1) 計算結果。工況1。塔壁主拉(壓)應力見圖4～圖7。

圖4　無預應力損失混凝土P1應力云圖

圖5　無預應力損失混凝土P3應力云圖

圖6　無預應力損失混凝土縱橋向應力云圖

圖7　無預應力損失混凝土橫橋向應力云圖

由圖4～圖7可見，在工況1情況下，除去應力集中位置，索塔最大第一主拉應力為0.14 MPa，發生在塔壁開孔位置附近。最大第三主壓應力為16.11 MPa，發生在斜拉索錨固位置附近。主塔長邊正中縱橋向應力為-7.51 MPa，主塔端邊邊跨側正中橫橋向應力為-1.10 MPa。

(2) 計算結果。工況5。塔壁主拉(壓)應力如圖8～圖11。

圖8　預應力損失40%時混凝土P1應力云圖

圖9　預應力損失40%時混凝土P3應力云圖

圖10　預應力損失40%混凝土縱橋向應力云圖

圖11　預應力損失40%混凝土橫橋向應力云圖

由圖8～圖11可見，在工況5情況下，除去應力集中位置，索塔最大第一主拉應力為1.33 MPa，發生在塔壁開孔位置附近。最大第三主壓應力為16.03 MPa，發生在斜拉索錨固位置附近。主塔長邊正中縱橋向應力為-3.87 MPa，主塔端邊邊跨側正中橫橋向應力為1.32 MPa。

(3) 計算結果。工況6。塔壁主拉(壓)應力見圖12～圖15。

圖12　預應力損失100%時混凝土P1應力

圖13　預應力損失100%時混凝土P3應力

圖14　預應力損失100%時混凝土縱橋向應力

圖15　預應力損失100%時混凝土橫橋向應力

由圖12～圖15可見，在工況6情況下，除去應力集中位置，索塔最大第一主拉應力為6.37 MPa，發生在塔壁開孔位置附近。最大第三主壓應力為15.82 MPa，發生在斜拉索錨固位置附近。主塔長邊正中縱橋向應力為2.89 MPa，主塔端邊邊跨側正中橫橋向應力為6.30 MPa。

(4) 計算結果比較。索塔混凝土各部分應力計算結果比較見表4(其中主拉、壓應力均去掉了應力集中值)。

表4　索塔混凝土各工況結果比較一覽表　MPa

注：-表示壓應力；+表示拉應力。

3結論

(1) 隨著預應力損失的增加，塔壁混凝土最大主拉應力增大，塔壁配置預應力是必要的。

(2) 當預應力損失為40%時，塔壁混凝土最大主拉應力為1.34 MPa，位于塔壁開孔位置附近，大于容許主拉應力1.33 MPa。

(3) 隨著預應力損失的增加，塔壁混凝土最大主壓應力減小，但幅度不大。各索塔混凝土最大主壓應力為16.11 MPa，滿足不超過0.6×32.4=19.44 MPa的規范要求。

(4) 塔壁混凝土在預應力束張拉、錨固端和斜拉索錨固端應力均集中，應對其進行加強處理。

參考文獻

[1]李國平.預應力混凝土結構設計原理[M].北京：人民交通出版社,2000.

[2]葉見曙.結構設計原理[M].北京:人民交通出版社,1997.

[3]蔡曉明,張立明,何歡.矮塔斜拉橋索鞍受力分析[J].公路交通科技,2006(3):53-55.

[4]丁淑蓉,阮江濤,佟景偉,等.預應力鋼索與索道孔壁接觸壓力的模擬研究[J].中國公路學報,2005(10):59-61.

收稿日期：2015-01-29

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.009