斜拉橋索塔錨固區在溫度效應作用下的受力特性分析

鐘力全

廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510507

由于斜拉橋索塔內通風不良，且混凝土本身導熱性能低，當塔周氣溫發生驟變時，塔壁內外產生較大溫差，溫差沿塔壁厚度分布是非線性的，而截面變形服從平截面假定，于是截面變形受到約束而產生內約束溫度應力。

對于鋼筋混凝土結構溫度應力的理論及計算現均處于試驗研究階段，各種計算方法都還不夠完善，根據既有的設計和實踐經驗可知，橋塔在施工和運營過程中產生溫度應力，其主要原因如下：混凝土在澆筑過程中所散發的水化熱使其溫度升高、外界氣溫呈周期性變化引起塔中內外溫差、太陽輻射的影響。由于上述原因，混凝土體內部各點之間以及混凝土和周圍介質間會產生溫差，體積隨之伸縮，當構件不能自由伸縮而受到約束或限制時，就產生溫度應力。

目前對于斜拉橋索塔錨固區溫度應力的分析研究相對較少，故文章主要針對斜拉橋索塔錨固區在不同工況作用下產生的溫度應力進行分析，并針對薄弱部位提出設計建議。其中除了溫度應力，混凝土在澆筑過程中的水化熱產生的應力發生在施工過程中，屬于施工荷載，只要采取有效的控制溫度應力的措施就可以使這種應力顯著降低，故不再進行檢算。

1 索塔錨固區受力特性的計算原則

1.1 溫度效應取值

為簡化計算，可將豎向應力和水平方向應力用同一瞬時溫度梯度分別按單向應力狀態求解。溫度應力應分別按氣溫溫差、太陽輻射溫差和寒潮溫差進行計算。

日照溫度主要受到太陽直接輻射、天空輻射、地面反射、氣溫變化、風速及地理緯度、橋梁的方位和塔壁朝向、附近地形地貌影響，是一個隨機變化的復雜函數。從工程應用的角度來看，根據既有結構的實測資料分析可知在地理緯度、方位角、時間及地形確定的情況下，日照溫度主要受太陽輻射強度、溫度變化及風速的影響，故溫度參數的取值只與太陽輻射和溫度變化有關。根據已有的半經驗公式，求得溫度分布曲線，代入計算模型中求解。

在日照情況下，干燥狀態下混凝土的溫差比潮濕狀態下要大一些。骨料對比熱的影響也較大，最大可差至1.6倍左右。混凝土的熱膨脹系數相對來說較為穩定，可采用1E-5取值。一般來說，結構最高溫度出現在下午2：00左右，而朝東結構表面在上午10：00左右出現當天最高溫度，產生最大溫差分布；朝西向則在下午5：00左右產生當天最高溫度，發現最大溫差；不受日照的結構面其溫度幾乎保持不變。

就我國而言，地理緯度對最大溫差影響較小，這是因為我國各地輻射強度相差不大，但對橋梁寬度方向的最大溫差分布有較大的影響。同時，海洋環境比大陸環境溫差要小，城市由于環境污染比山區溫差要小，山區橋梁受到山體遮擋溫差也會較小。

從工程分析角度來講，只需從復雜的分布中結合既有的工程經驗，選取適用于橋梁的最不利溫度分布即可。

1.2 計算原則

在對溫度荷載的研究中，筆者分別查閱了BS5400英國橋梁規范、澳大利亞國家道路管理局全國協會橋梁規范、新西蘭橋梁規范、日本橋梁道路設計規范、美國橋梁規范、瑞士橋梁規范，其中溫差最大的為新西蘭推薦值32℃。

橋塔溫度應力特點主要為溫度應力一般是日照正溫差時，外壁受壓，內壁受拉，當寒潮降溫為負溫差時，外壁受拉，內壁受壓，根據計算經驗，溫度應力一般是按照日照工況下內壁、寒潮工況下外壁拉應力控制設計。

2 索塔錨固區受力特性的計算分析

2.1 工程概況

文章所依據的工程是某地區工程中某雙塔鋼箱桁梁斜拉橋，全橋長為(60+120+324+120+60)m。索塔采用H型索塔，塔底以上索塔全高為123m，橋面以上塔高105.8m，橋面以下塔高17.2m，橋面以上塔的高跨比為1/3.06。索塔順橋向尺寸為6～10m，即由塔頂6m線型加寬至下橫梁8m，再加寬至塔底10m。上塔柱為斜拉索錨固區，兩分離式豎直塔柱，塔柱中心距為16.4m。單箱單室截面，每柱橫橋向寬度為4m，順橋向寬度由6m線型增加到6.971m，橫橋向壁厚為0.8m，順橋向壁厚為1.5m。上塔柱上部設置頂帽，上頂帽主要起減少箱形橋塔截面畸變的作用，其本身受力較小，但需要滿足一定的剛度要求，并無特殊的要求。頂帽厚0.5m，塔壁靠近頂帽處設置尺寸為0.5m×0.5m的倒角，頂帽壁板處設置人孔，人孔尺寸為1m×1m。

2.2 橋梁實體模型建立

文章利用Midas FEA軟件建立橋梁模型，如圖1所示，然后對錨固區進行詳細的應力分析。

圖1 橋梁模型圖

對于索塔，各模型采用的荷載組合如下。

工況（1）主力+附加力+寒潮：恒載+活載（豎向活載、搖擺力）+附加力（制動力、風力、整體溫度、頂板溫度）+寒潮溫度應力。

工況（2）主力+附加力+日照：恒載+活載（豎向活載、搖擺力）+附加力（制動力、風力、整體溫度、頂板溫度）+日照溫度應力。

工況（3）換索+寒潮：斷換索產生應力+寒潮溫度應力。

工況（4）換索+日照：斷換索產生應力+日照溫度應力。

2.3 計算結果

（1）縱向水平應力。激活上塔柱預應力后，計算了結構在4種工況下的應力狀態，4種工況下上塔柱外壁縱向應力均為壓應力，壓應力儲備比二維計算結果富余更大。因此，采用二維方法建立梁單元橫框模型計算預應力是偏于安全的。

（2）橫向水平應力。4種工況下，上塔柱外壁沿橋橫向應力分布，如圖2所示。

圖2 4種工況下塔柱外壁橫向水平應力云圖（單位：MPa）

從圖2中可以看出，上塔柱外壁橫向應力絕大部分為壓應力，壓應力儲備較小。同時，換索+寒潮為最不利工況，外壁產生了約0.6MPa的拉應力，與二維分析結果一致。

3 結論

文章通過三維模型對上塔柱豎向及水平向應力進行計算，考慮主+附和換索分別與寒潮和日照組合的4種工況，其計算指標滿足要求。根據計算結果以及與二維方法進行的對比，得到以下結論：

（1）寒潮對截面拉應力貢獻明顯，大多數情況下換索+寒潮為最不利工況，應盡量避免在寒潮狀態下換索。此外，截面預應力配置可依據主+附+寒潮工況下結構的應力狀態。

（2）當斜拉索豎直角較大，斜拉索較密集時，可以采用二維方法建立塔柱橫框模型驗算截面預應力，所得的結果與三維分析結果接近，且偏于安全；當斜拉索豎直角較小，斜拉索間距較大時，二維方法對截面的簡化與截面的實際狀態差異較大，宜采用三維方法驗算截面預應力。

（3）上塔柱兩個方向水平應力沿高度的整體變化趨勢一致，即自上而下應力逐漸降低。同時也存在差異性，即斜拉索孔道附近的橫向水平應力相對較大，遠離孔道的區域應力相對較小。因此，預應力配置時應盡可能沿豎向滿布，鋼束密度可以自上而下逐漸減小；在斜拉索孔道附近適當增加預應力配置密度，并布置螺旋筋防止應力集中導致混凝土開裂。