斜拉橋預應力混凝土索塔錨固結構受力性能分析

惠 興 智

(山西省交通科學研究院， 山西 太原 030006)

斜拉橋預應力混凝土索塔錨固結構受力性能分析

惠 興 智

(山西省交通科學研究院， 山西 太原 030006)

為了研究U形與直線預應力束混合布置索塔錨固結構的受力特性，以國內某姊妹塔斜拉橋的菱形橋塔為例，采用通用有限元程序建立索塔錨固結構的節段有限元模型，分析索塔錨固結構在預應力荷載與斜拉索水平力共同作用下的受力情況。結果表明：在索塔錨固結構中采用U形與直線預應力束混合布置能較好的滿足設計要求，使錨固區整體處于較為合理的壓力狀態之下，除局部的應力集中外，基本消除了斜拉索作用下順橋向塔柱的拉應力；在齒塊與塔柱內壁的結合處存在應力集中現象，應當引起足夠的重視，施工時應嚴格控制施工質量。

斜拉橋；菱形橋塔；索塔錨固結構；受力分析

橋塔是斜拉橋的重要組成部分，橋塔設計與研究的重點、難點均是斜拉索錨固結構，索塔錨固結構是將斜拉索的集中索力均勻傳遞至橋塔的重要構件[1-3]。設計時應選取合理的錨固形式以保證該區域的受力安全。

預應力混凝土索塔錨固結構是目前使用最普遍的索塔錨固方案之一[4]。對于空心斷面橋塔，斜拉索可直接在塔壁內側的齒塊上進行錨固，此時，索力水平分力在錨索側塔壁內產生較大內力，為了防止塔壁在運營過程中開裂，可在塔壁截面內布置預應力來平衡斜拉索索力產生的內力[5]。

常用的索塔錨固結構內預應力布置方式分為4類：由曲線或直線預應力在索塔截面雙向構成的“井”字束；僅沿順橋向在索塔截面內設置開口U形束；僅沿橫橋向在索塔截面內設置開口U形束；同時在索塔截面內設置直線、U形預應力形成混合束。其中，混合束在索塔截面內形成的預壓力分布模式與索塔截面內拉力的分布模式相似，索塔受力的安全度也最高。但是，混合束方案使用的預應力材料較多，導致錨固結構受力也相對較復雜，很難通過理論方法完成分析。

項貽強等[6]研究了南京長江二橋南汊橋索塔錨固結構的受力，結果表明該類索塔錨固結構的安全系數較高。劉兆豐等[7]研究了長壽長江公路大橋索塔錨固結構的受力，結果表明加載至2.0倍設計索力時結構始終處于彈性工作狀態。姚建軍等[8]采用試驗方法研究了忠縣長江大橋索塔錨固結構的受力情況。張亮亮等[9]對比分析了3種工況下某混凝土索塔錨固區的受力特點，認為采用環向井字形的水平預應力束配置形式是合理的。田仲初等[10]采用模型試驗與有限元方法研究了三塔斜拉橋索塔錨固區的局部受力特性。葉華文等[11-12]采用理論推導、模型試驗與有限元分析方法進行研究，結果表明斜拉索水平力主要由環向預應力筋承擔，非對稱受力對錨固區受力影響不大。王宏祥[13]采有限元方法研究了某斜拉橋索塔錨固區受力情況，認為合理施加預應力可以有效改善索塔錨固區的受力性能。崔楠楠等[14]研究了廣中江高速公路西江水道橋的單向預應力體系索塔錨固區的受力情況。沈璐等[15]分析了吉林省蘭旗松花江斜拉橋索塔錨固區環型鋼束預應力損失計算的特點。

本文以國內某姊妹塔斜拉橋為例，建立其索塔錨固結構節段的三維實體有限元模型，對其受力情況進行分析，以期為該類結構的設計與應用提供一定的理論指導和參考依據。

1 工程概況

國內某斜拉橋為全長440 m、跨徑組合110 m+220 m+110 m的雙塔四索面斜拉橋。采用上、下行兩幅橋、姊妹雙塔、分離主梁的布置，斜拉索在主梁兩側形成空間索面(見圖1)。混凝土主梁為肋板式結構，為全預應力混凝土結構，單幅橋主梁寬度為23 m，肋高2.2 m，橋面板厚度為0.3 m。斜拉索采用空間四索面扇形布置，全橋共設112對直徑為7 mm的鍍鋅高強度低松弛平行鋼絲斜拉索。橋塔由兩個并列的菱形塔橫向連接而成，橋塔高度分別為91.5 m、92.5 m，在橋塔的斜拉索錨固區段混合設置U形與縱向直線預應力束。

圖1 姊妹塔斜拉橋整體布置(單位：cm)

索塔錨固結構如圖2所示，采用預應力混凝土箱形截面形式以充分發揮混凝土的材料特性，并通過在索塔錨固區采用大噸位、小半徑的U形預應力束橫橋向開口和水平直線預應力束聯合的布置形式，來平衡斜拉索強大順橋向水平拉力。

圖2 錨固區半結構構造

U形預應力鋼束和順橋向水平預應力束分別采用Φs15.2-14、Φs15.2-5高強度低松弛鋼絞線，鋼絞線抗拉強度為1 860 MPa，張拉控制應力為1 395 MPa；其預應力鋼束布置如圖3所示。

圖3 預應力鋼束布置

2 有限元分析模型

由空間桿系靜力計算，經索力優化后確定的最不利荷載組合下的塔端最大索力出現在MS14號索，即橋塔的最上一節錨固段，且此段斜拉索的水平傾角最小，水平分力最大，所以此段為最不利區域。為了提高計算效率，根據圣維南局部影響原理，取MS14號索錨固區域附近2.4 m高的索塔節段進行計算分析。采用通用有限元程序ANSYS 17.0建立索塔錨固區3維實體有限元模型，其中，混凝土塔壁、齒塊和錨墊板采用多節點實體單元SOLID 187模擬；預應力鋼束采用空間桿單元LINK 8模擬，通過對LINK 8單元降溫來施加預應力效應。分析中考慮斜拉索孔道對錨固區的削弱作用，但將整個結構視為勻質彈性體，不考慮普通鋼筋及防止U形預應力束崩裂的構造鋼筋。計算模型的幾何構造與網格劃分情況如圖4～圖6所示。

材料屬性：橋塔混凝土強度等級為C50，彈性模量為3.5×104MPa，泊松比為0.2；預應力鋼束標準抗拉強度為1 860 MPa，彈性模量為1.95×105MPa，泊松比為0.3；錨墊板材料為Q235鋼材，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3。

圖4 計算模型的幾何構造

圖5 索塔錨固結構有限元模型

邊界條件：約束節段模型下層所有節點的三向線位移。考慮邊界條件的局部影響，僅對錨孔附近節段進行分析。

圖6 預應力鋼束離散圖

計算荷載：根據全橋整體分析結果，位于塔頂的MS14號索塔端索力為4 632.2 kN，對應的MC14索的塔端索力為3 527.6 kN。索力以面力形式施加在錨墊板上，U形預應力束和順橋向水平預應力束的張拉控制應力為1 395 MPa。U形預應力束屬于大噸位小半徑預應力，其預應力損失的計算較為復雜，根據有關文獻[8-10]和以往斜拉橋索塔錨固區的階段模型試驗研究結果，錨固區U形預應力束的預應力損失均在50%左右，本文按預應力損失為50%計算，有效預應力為697.5 MPa；順橋向水平預應力束的預應力損失按照規范計算，有效預應力為1 345 MPa。

3 結果分析

同時考慮斜拉索索力和錨固區預應力鋼束的作用，對錨固結構進行受力分析。文中應力結果正值為拉應力，負值為壓應力。

考慮到圣維南局部影響原理，在錨孔以下取出一節段觀察結果，為了結果的分析方便，在取出的節段表面設置一系列應力值特征點，特征點的布置如圖7所示。其中邊跨側齒塊上應力值觀察點的布置與中跨側相同，編號以C'n表示(圖中未示出)。

(1) 主拉應力分析。由圖8與圖9給出的應力云圖可以看出，在拉索索力與預應力共同作用下，塔柱上最大應力值為0.88 MPa，出現在T16特征點處；齒塊與塔柱內壁結合處，中跨側最大應力為2.92 MPa，出現在特征點C3處，邊跨側最大應力為3.72 MPa，出現在C'2處，可見主拉應力值已超出C50混凝土的抗拉強度，這是由于計算中沒有考慮在齒塊區域布置的密集構造鋼筋和局部加強鋼筋，在實際工程中并不會出現如此大的主拉應力，但是此區域仍然是設計的關鍵部位，應當引起足夠的重視，確保施工質量。

圖7 應力值特征點布置

圖8 整體主拉應力分布(單位：Pa)

圖9 塔柱內部剖面主拉應力分布(單位：Pa)

(2) 主壓應力分析。由圖10與圖11給出的主壓應力云圖可以看出，在拉索索力與預應力共同作用下，齒塊后方塔柱主壓應力值較大，向外側錨孔逐漸擴散，應力最大值為-13.6 MPa，出現在T28特征點處；齒塊與塔柱結合處，中跨側最大應力值為-7.49 MPa，出現在特征點C4處，邊跨側最大應力值為-9.98 MPa，出現在C'4處。可見結構的主壓應力值遠小于C50混凝土的抗壓強度，即主壓應力并不是控制預應力混凝土索塔錨固結構設計的關鍵因素。

圖10 整體主壓應力分布(單位：Pa)

圖11 塔柱內部剖面主壓應力分布(單位：Pa)

4 結 語

(1) 在斜拉索與預應力共同作用下，索塔錨固區的主拉應力最大值為3.72 MPa，出現在齒塊與塔柱內壁結合處，超出了C50混凝土的抗拉強度，但這與計算沒有考慮齒塊上布置密集的構造鋼筋和局部加強鋼筋有關，實際工程中的主拉應力值不會如此大。

(2) 在斜拉索與預應力共同作用下，索塔錨固區的主壓應力最大值為-13.6 MPa，出現在齒塊后方塔柱處，可見結構的主壓應力值遠小于C50混凝土的抗壓強度，主壓應力并不是控制預應力混凝土索塔錨固結構設計的關鍵因素。

(3) 雖然采用預應力體系能夠降低索塔錨固結構的主拉應力，但在進行預應力設計時仍要重視齒塊與塔柱內壁結合處的構造，確保應力較好的擴散。

[1] 卓衛東，房貞政.預應力混凝土橋塔斜索錨固區空間應力分析[J].同濟大學學報(自然科學版),1999,27(2):203-206.

[2] 李立峰，邵旭東，增田勝.斜拉橋小尺寸預應力索塔的布束設計及試驗研究[J]. 公路,2000(10):1-3．

[3] 韓富慶,楊成斌,婁 建，等.安慶長江公路大橋索塔錨固區受力分析[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2002,25(6):1167-1170．

[4] 劉 釗,孟少平,劉 智，等.潤揚大橋北汊斜拉橋索塔節段足尺模型試驗研究[J].土木工程學報,2004,37(6):35-40．

[5] 單 煒,李玉順,于 玲，等.異形截面斜拉橋索塔錨固區節段足尺模型試驗研究[J].中國公路學報,2005,18(3):60-65．

[6] 項貽強,易紹平,杜曉慶，等.南京長江二橋南汊橋斜拉索塔節段足尺模型的研究[J].土木工程學報，2000,33(1):15-22．

[7] 劉兆豐,孟 鑫,趙人達，等.長壽長江公路大橋索塔節段足尺模型試驗研究[J].公路交通科技,2009,26(8):77-83．

[8] 姚建軍,劉孝輝,李 琦，等.忠縣長江大橋索塔錨固區模型試驗與裂紋預測[J].橋梁建設,2009(2):32-35．

[9] 張亮亮,王 浩,楊轉運,等.大跨度斜拉橋索塔錨固區應力分析[J].土木建筑與環境工程，2012,34(3):52-57.

[10] 田仲初,陳耀章.三塔斜拉橋索塔錨固區節段足尺模型試驗[J].公路交通科技,2013,30(7):89-96.

[11] 葉華文,肖 林,李翠娟,等.大跨斜拉橋預應力索塔錨固區受力機理及試驗[J].哈爾濱工業大學學報,2013,45(12):78-85.

[12] 葉華文,李翠娟,徐 勛,等.獨斜塔斜拉橋預應力索塔錨固區模型試驗研究[J].西南交通大學學報,2014,49(1):52-58.

[13] 王宏祥.斜拉橋橋塔拉索錨固區預應力效應分析[J].水利與建筑工程學報,2014,12(3):45-48.

[14] 崔楠楠,賈布裕,余曉琳.斜拉橋單向預應力體系索塔錨固區足尺模型試驗研究[J].湖南大學學報(自然科學版),2016,43(5):61-69.

[15] 沈 璐,邱文亮.大跨度斜拉橋索塔錨固區環向鋼束預應力損失分析與試驗研究[J].水利與建筑工程學報,2016,14(2):96-99.

Mechanical Behavior of Anchorage Zone of Cable-stayed Bridge Pylon

HUI Xingzhi

(ShanxiTransportationResearchInstitute,Taiyuan,Shanxi030006,China)

In order to analyze the mechanical characteristics of the cable-tower anchor zone with U prestressing tendon and linear prestressing tendon mixed layout, the diamond tower of a sister cable-stayed bridge has been studied. By using the general finite element program, the segmental finite element model of the cable-to-tower anchorage zone is developed and its stress conditions are analyzed combined prestressed load and horizontal force of cable. The results shows that the cable-to-tower anchorage zone with U prestressing tendon and linear prestressing tendon mixed layout can meet the design requirement preferably. The anchorage zone is in a relatively reasonable pressure state except local stress concentration and the longitudinal tensile stress of the tower basically eliminated except local stress concentration in the force of cable. While it should be paid enough attention for the stress concentrate phenomenon in the junction of block tooth and the tower’s inner wall, and construction quality should be strictly controlled during construction.

cable-stayed bridge; diamond tower; anchorage structure in tower; stress analysis

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.042

2017-01-09

2017-02-28

惠興智(1984—)，男，陜西榆林人，工程師，主要從事橋梁設計工作。 E-mail: 278053091@qq.com

U441+.5

A

1672—1144(2017)02—0219—05