銀洲湖特大橋索塔錨固區域受力狀況分析

袁 鋒

（中交路橋華南工程有限公司，廣東中山 528400）

概述

近年來，鋼錨梁以其受力明確，造價較低，施工方便快捷的特點，被廣泛應用在斜拉橋的索塔錨固區上，鋼錨梁設置在索塔錨固區內部的牛腿上，主要承擔塔端拉索的水平力，拉索的豎向分力則通過牛腿傳遞到混凝土塔壁，有混凝土索塔承擔。由于主梁采用雙懸臂施工工藝，斜拉索施工表現為兩邊不同步的張拉工藝，對錨固區域應力情況和受力機理不明確。故為了探索錨固區域的不利情況，依托銀洲湖特大橋工程進行具體分析施工過程中最不利工況下的受力特點[1]。

銀洲湖特大橋是中山至開平高速公路一個控制性節點工程，其主航道橋采用雙塔雙索面混合式結合梁斜拉橋，半漂浮體系，跨徑組合為56.8+131.2+530+131.2+56.8 m，邊中跨比約為0.355，全長906 m。主梁中跨采用組合梁，邊跨采用混凝土梁，鋼混結合部位于中跨過主塔8.75 m 處。主梁采用半封閉箱梁斷面形式，中心梁高3.5 m, 整體示意見圖1。

圖1 銀洲湖特大橋總體布置

為明確橋塔錨固區的受力特點、驗證設計的可靠性，擬采用彈性空間有限元方法，計算雙側索力狀況（成橋狀態添加或不添加環向預應力，橫橋向索力基本平衡）和最大索力差值下錨固區域鋼錨梁、鋼牛腿以及混凝土橋塔的應力分布。

1 計算模型及荷載

1.1 計算模型

選取成橋狀況下受力最不利的N24 鋼錨梁作為研究對象，建立連續的三個鋼錨梁及鋼牛腿構造。以中間鋼錨箱為中心共建立高度為12.5 m 等截面橋塔，盡可能消除邊界條件對結構應力分布的影響[2]。

模型混凝土采用SOLID45 單元進行模擬，鋼結構采用SHELL63 單元進行模擬，預應力鋼束采用LINK8 單元進行模擬。牛腿與鋼錨梁、牛腿與橋塔之間的連接均采用約束方程的形式。

鋼錨梁與鋼牛腿之間采用中跨固定、邊跨先滑動后固定的形式。為了較為真實的模擬鋼錨梁及橋塔的受力狀況，采用荷載步計算多工況疊加的方式模擬荷載的施加過程。第1 荷載步采用中跨固定邊跨滑動的約束方式，施加成橋索力；第2 步采用梁端固結，施加運營時的索力增量。而后對兩個荷載工況得到的應力狀況進行疊加。

1.2 計算邊界條件及計算工況

模型的邊界條件見圖2、圖3，橋塔上端自由，下端節點約束豎向位移UY，其中，X=0 位置同時約束位移UX，Y=0 的位置同時約束UY。

圖2 索塔錨固區模型

圖3 邊界條件

為了解結構的受力狀況，對三個工況進行計算分析。其中，工況1 僅施加自重和對稱索力荷載；工況2在工況1 的基礎上添加環向預應力荷載；工況3 模擬單邊張拉斜拉索狀況下結構的受力狀況，邊界條件與工況1、工況2 第二荷載步的邊界相同，荷載條件與工況2 相同，僅取消中間鋼錨梁中跨側的拉索荷載。模型的正x 軸為邊跨方向，負x 軸為中跨方向，見表1。

表1

同時為了解混凝土橋塔在荷載作用下的受力狀況，選取垂直于橋塔軸向的5 個平面查看橋塔橫橋向應力、縱橋向應力以及主應力的分布[3]。

針對小斑病以及大斑病，與之相應的防治藥物為克瘟散的乳劑，確保將其配置成1000倍左右的藥劑，然后對田間植株均勻噴灑。與此同時，防控小斑病與大斑病的關鍵點還需注意規避此類病害擴大，確保能夠及早防控病害。小斑病或者大斑病主要傷害作物葉片等特殊部位，因此唯有早期進行防控，才能杜絕表現為較大規模的作物減產，盡量減低農作物遭受的傷害[1]。

1.3 計算荷載

由于主梁施工工藝特殊性，邊跨采用牽索掛籃進行主梁懸澆施工，中跨采用橋面吊機進行懸臂拼裝施工。由于邊、中跨施工方法不同，兩側斜拉索的索力不對稱,出現了較大的索力差，見表2。

表2 標準節段索力統計

2 計算結果分析

2.1 不考慮環向預應力荷載作用下的計算結果

由于在不考慮環向預應力荷載作用下，對索塔錨固區最不利，故首先分析了此工況下索塔錨固區的應力分布情況，圖4 為鋼錨梁受力情況下應力分布圖。

圖4 鋼錨梁受力應力圖

計算結果表明，不考慮環向預應力荷載作用下，索塔錨固區的應力分布具有以下特點：

（1） 鋼錨梁應力分布總體上中跨側應力要高于邊跨側，其中鋼錨梁應力最大值發生在等效錨墊板上開孔邊緣，應力最大值為195 Mpa，通過觀察可以發現，應力最大位置位于邊跨側錨墊板開孔邊緣上的水平位置，范圍不大。

（2） 索塔縱橋向和橫橋向應力分布類似，荷載邊跨側橋塔的受力明顯大于中跨側，拉應力最大值在1 Mpa 左右。可見混凝土橋塔縱橋向和橫橋向應力水平較低。

（3） 通過觀察結構主應力的分布情況可以發現，橋塔主應力水平較低，僅在個別應力集中點存在較大的主應力。

2.2 考慮環向預應力荷載作用下的計算結果

圖5 索塔錨固區縱橋向應力圖（H=-1.0m 截面:SX）

計算結果表明，在環向預應力荷載作用下，索塔錨固區的應力分布具有以下特點：

（1） 施加環向預應力后橋塔縱橋向基本處于受壓狀態，內側壓應力儲備高于外側。

（2） 施加環向預應力后，橋塔端壁預應力儲備充足，外側儲備明顯大于內側。

（3） 除個別位置小范圍的應力集中外，結構基本不存在主拉應力。

2.3 施工過程中最不利工況計算結果

在主梁雙懸臂施工過程中，斜拉索最大索力差值為最不利施工情況，故分析對此種情況下索塔錨固區應力分布情況[5]，圖6 為鋼錨梁應力分布圖。

圖6 鋼錨梁受力應力圖

計算結果表明，在最不利荷載作用下，索塔錨固區的應力分布具有以下特點：

（1） 在最大索力差值工況下，無索力中跨側的板件應力水平很低。其他板件的應力沒有明顯的提高，其受力模式與工況2 相似最大等效應力依舊出現在錨固板上，最大值為195 Mpa。

（2） 在最大索力差值工況下，僅牛腿范圍內存在一定的縱橋向拉應力，除局部應力集中位置外，大部分位置拉應力水平在1.5 Mpa 以下，且應力較高區域位于（x=0 m 處）牛腿頂板后方位置。

（3） 在最大索力差值工況下，主塔錨固區橫橋向基本處于受壓狀態。

（4） H=0 m 位置與牛腿直接接觸的位置主拉應力水平較高，最大值約1.7 Mpa。可見在最大索力差值工況下，混凝土塔壁出現了一定的拉應力，但最大名義拉應力1.7 MPa，小于C50 混凝土的抗拉強度設計值，滿足設計要求。

3 結論

（1） 在上述荷載的共同作用下，各項應力均滿足要求，受力可行。因此本橋索塔錨固區各個結構設計是合理的。

（2） 橋塔在未施加環向預應力荷載情況下，存在不大于0.94 Mpa 的拉應力，添加環向預應力后混凝土橋塔在成橋階段處于受壓狀態，可見添加環向預應力是十分必要的，且所施加的預應力能夠保證塔壁在施工過程的情況下環向基本處于受壓的狀態。

（3） 在最大索力差值的不利工況下，索塔塔壁出現拉應力集中的情況，應當適當加強鋼筋和環向預應力的布置，在施工過程中，需對環向預應力質量進行嚴格要求。