矮塔斜拉橋索塔錨固區局部受力性能

劉 傲 吳旭彪 宋 軍

(1.廣東省南粵交通投資建設有限公司，廣東 廣州 510000； 2.同濟大學，上海 200092)

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矮塔斜拉橋索塔錨固區局部受力性能

劉 傲1吳旭彪1宋 軍2*

(1.廣東省南粵交通投資建設有限公司，廣東 廣州 510000； 2.同濟大學，上海 200092)

以江肇高速公路西江大橋為背景，研究柱式雙排跨越式鞍座橋塔錨固區在最不利索力作用及換索工況下的局部受力特性，通過精細有限元理論分析，得出了其局部受力特性，為鞍座孔位布置、局部加筋設計提供借鑒。

矮塔斜拉橋，橋塔，錨固區，應力，有限元

0 引言

矮塔斜拉橋由于兼具斜拉橋受力好及連續梁剛度大的優勢，近年來應用逐漸增多，為適應我國經濟發展對交通事業的新需求，矮塔斜拉橋逐漸向大跨徑、超寬體系方向發展，對該類橋型的設計提出挑戰。

在矮塔斜拉橋跨能及承載能力提升的同時，作為主體受力構件之一的橋塔將承擔更大的荷載效應，其局部受力性能需得到充分研究驗證，本文以江肇高速公路西江大橋為工程背景，進行柱式雙排跨越式鞍座橋塔錨固區受力性能的研究工作，為橋塔局部設計提供借鑒。

1 研究背景

西江大橋為四塔五跨單索面矮塔斜拉橋，主跨為(128+3×210+128)m，采用墩、塔、梁固結剛構體系，該橋是典型多塔寬幅單索面矮塔斜拉橋(見圖1)。

主塔為獨柱式鋼筋混凝土結構，截面為八邊形，并在順橋向塔中刻深0.1 m寬0.7 m的景觀飾條。主塔高度為30.5 m(含索頂以上4 m裝飾段)，主塔截面等寬段順橋向厚為5 m，橫橋向寬2.5 m；塔底5 m范圍，順橋向厚為5 m，橫橋向寬由2.5 m漸變到3.1 m。

斜拉索采用φs15.2 mm填充型環氧涂層鋼絞線斜拉索，標準強度為1 860 MPa，斜拉索規格分別為43-φs15.2和55-φs15.2，采用鋼絞線拉索群錨體系。斜拉索為單索面雙排索，布置在主梁的中央分隔帶處。塔根兩側無索區長64 m，邊跨無索區長32 m，中跨無索區長18 m，梁上索距4.0 m，塔上索距0.8 m，一個橋塔上布置2×16束斜拉索，鞍座半徑為0.65 m，斜拉索在塔上采用分絲管結構錨固。橋塔及錨固區構造見圖2。

2 模型與工況

2.1 精細模型

采用大型有限元分析軟件Ansys對模型進行受力分析。用Ansys建成的索塔三維實體有限元模型，混凝土塔柱采用Solid45單元模擬，鞍座通過布爾減運算得到。考慮到計算規模，從塔底到12.5 m高的塔段以70 cm控制單元大小，12.5 m到塔頂的錨固區段以20 cm控制單元大小。橋塔模型與鞍座孔內模型如圖3所示。

2.2 計算工況

鞍座局部受力分析分別考慮極限受力工況以及換索工況，提取相應索力進行計算，拉索更換以更換S1進行計算。極限索力取值見圖4。

2.3 約束與加載方式

將塔底約束所有自由度作為邊界條件。索鞍式錨固區中斜拉索繞過塔柱，并且該錨固區中的斜拉索索力通過鞍座錨體傳到塔柱上，會在鞍座錨體與混凝土塔柱接觸的圓弧面上產生較大的壓應力。建立有限元模型分析時，需要將橋塔錨索區的斜拉索索力等效施加在斜置鞍座錨索與混凝土塔柱的接觸面上。

忽略索的自重和摩擦效應的影響，拉索承受拉力和錨固區塔柱的支持力，所以拉索僅承受塔柱的支持力q，這個支持力便可等效的施加在斜置鞍座錨索與混凝土塔柱的接觸面上。此時可把問題簡化為如圖5所示，斜拉索繞過半徑已知的混凝土塔柱，并在拉索兩端施加張拉力N，塔柱對拉索的支持力q=N/R。

3 極限狀態計算結果

3.1 順橋向正應力分析

索塔錨固區順橋向基本上處于受壓狀態，順橋向最大拉應力為1.85 MPa。順橋向最大壓應力為2.74 MPa。總體應力分布、變化較均勻。在鞍座錨體與混凝土塔柱接觸的圓弧面上會產生較大的壓應力，這和荷載施加的假設一致。S1～S16號索鞍下混凝土壓應力水平的變化趨勢為：從底部到頂部逐漸增大。索塔頂部鞍下混凝土圓弧段壓應力水平在1 MPa～2.5 MPa，在圓弧段的邊緣，有較小的壓應力集中。錨固區底部鞍下混凝土，其上部受壓，壓應力水平在0.6 MPa～1.2 MPa，下部受拉，拉應力水平在0.3 MPa左右。與圓弧段相接的直線段，有0.3 MPa的拉應力，靠近圓弧段的邊緣有拉應力集中，峰值達1.85 MPa。

3.2 主拉應力分析

索塔錨固區主拉應力分布如圖6所示。從主拉應力圖可知，整個索塔錨固從總體上看處于受壓狀態，主拉應力為負值。但局部某些區域，主拉應力最大數值達到了5.08 MPa，但作用區域極小，應力很快擴散，這可能和實體模型及其加載有關。但大部分區域的最大主拉應力值在1.65 MPa左右。從局部看主拉應力主要出現在鞍下混凝土的最下緣，即相鄰下部鞍座的上緣。錨固區主拉應力從上到下，逐漸增大。錨固區頂部鞍下混凝土拉應力水平在0.3 MPa左右。底部鞍下混凝土拉應力水平在1 MPa～2.3 MPa。在直線段下部最邊緣，有拉應力集中現象，峰值達5 MPa。

3.3 主壓應力分析

主壓應力在全錨固區總體上從上到下依次增大，最大主壓應力為24.1 MPa，在最下端的S1號拉索處。大部分區域主壓應力在5 MPa～15 MPa。無明顯應力集中區域。從局部上看，錨固區頂部鞍下混凝土總體主壓應力狀態在3 MPa～5 MPa左右，與鞍座直接接觸的圓弧段局部主壓應力在5 MPa～10 MPa。底部鞍下混凝土主壓應力明顯增大，達7 MPa～15 MPa。

4 換索狀況的索塔錨固區響應特性

4.1 順橋向正應力分析

索塔錨固區順橋向基本上處于受壓狀態，順橋向最大拉應力為1.87 MPa。順橋向最大壓應力為2.74 MPa。與前面最不利狀態的應力水平相比，總體上各部分應力狀態相似，數值上差別很小，局部的應力變化也幾乎相同，可見該換索工況對索塔錨固區的總體的受力性能影響很小。在S1號索的鞍座處，其鞍下混凝土出現了0.9 MPa左右的拉應力，而在最不利狀態下，鞍下混凝土受的是0.7 MPa的壓應力，這是橫橋向不平衡的索力引起的。

4.2 主拉應力分析

索塔錨固區主拉應力分布見圖7。從主拉應力圖可知，索塔整體上受壓。

但是在下端的局部很小區域，主拉應力最大數值達到了5.01 MPa。在鞍下混凝土最下緣，受到最大的主拉應力。從總體上看，主拉應力狀況和最不利狀態基本上一致。但S1號索鞍下混凝土的上緣，原來拉應力為0.3 MPa左右，現在主拉應力增加到2 MPa～3 MPa，這個影響不能忽略，它是由于橫橋向不平衡的索力產生的。

4.3 主壓應力分析

最大主壓應力為23.9 MPa，整體應力狀態和最不利狀態相似。S1號索的鞍座處，主壓應力從原來的13 MPa降低到10 MPa左右。

5 結語

通過對實體有限元模型的正常使用最不利工況和換索工況的分析發現。索塔錨固區整體處于受壓狀態。鞍下混凝土總體受力類似于拱形受彎梁的狀態。其上緣壓應力較大，主壓應力在5 MPa～15 MPa，且從錨固區頂部到底部，主壓應力水平逐漸增大。下緣會出現有0.3 MPa～2.3 MPa的主拉應力，且從錨固區頂部到底部，主拉應力水平逐漸增大。可見最下端S1號索處，其應力狀態最不利。

在錨固區頂端鞍下混凝土圓弧段邊緣，有小范圍壓應力集中，在錨固區底部鞍下混凝土直線段端部，有小范圍拉應力集中。

換索狀態與前面正常使用最不利狀態的整體應力水平相比，總體上差別很小。但是對于被換索處的鞍下混凝土，由于橫橋向的不平衡力，其拉應力水平增加，且不可忽略，正應力從0.7 MPa的壓應力變為0.9 MPa拉應力；主拉應力由0.3 MPa增加到2 MPa；主壓應力從13 MPa降到10 MPa，應做好處理。由此可見該換索工況對索塔錨固區整體的受力性能影響很小，但會對換索的局部產生影響。

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The Local mechanical properties of short tower cable-stayed bridge cable anchorage zone

Liu Ao1Wu Xubiao1Song Jun2*

(1.GuangdongNanyueTrafficInvestmentConstructionLimitedCompany,Guangzhou510000,China;2.TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

The local stress characteristics of anchorage zone, under the maximum cable force and cable replacement conditions, are studied, which take double leaping saddle in column pylon of Xijiang bridge in Jiangzhao highway as background. By using finite element method, the local stress characteristics are verified, which can provide a reference for the layout of saddle hole and partial reinforcement design.

low tower cable-stayed bridge， bridge tower， anchorage area， stress， finite element method

1009-6825(2016)20-0164-03

2016-05-09

劉 傲(1983- )，男，工程師； 吳旭彪(1985- )，男，工程師

宋 軍(1987- )，男，在讀博士

U448.27

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