某斜拉橋索塔錨固區應力分析

王 靜

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030012）

1 引言

隨著高速公路不斷建設，公路網日益加密，很多地方因地形原因需要建設特大跨徑的橋梁，而連續剛構和斜拉橋成為最常用的橋型。200m 以上跨徑，尤其以斜拉橋最為常見。在日常設計中，常規計算僅僅能分析拉索和主梁的受力情況，對于大體積的下部結構分析相對欠缺，尤其對于斜拉索索塔錨固區等應力集中部分，因受力復雜，分析精度較差。

而斜拉橋索塔的拉索錨固區是斜拉橋的重要結構部位, 需將拉索的強大局部集中力安全、均勻地傳遞到塔柱, 其構造及受力相當復雜,特別是拉索局部強大集中力及預應力鋼束錨固力的作用,對結構變形和應力的分布影響很大，常規的力學分析難以全面反映結構的實際工作狀態和應力分布。為此,最直接、有效的方法是采用實體有限元模型進行模擬分析。

2 工程概況

某雙塔斜拉橋采用134+430+134m 鋼桁梁結構(如圖1)，半飄浮體系，塔墩固結、塔梁分離。主梁采用2 片主桁，平行弦鋼桁梁，矩形橫斷面，桁高13m，桁間距18m，節間長度13.5m。主桁采用N 形桁式，其上、下弦桿均為箱形截面，采用焊接整體節點的結構形式，桿件最大板厚50mm。橋面采用整體正交異性鋼橋面板，其上設置15cm 厚的鋼筋混凝土道碴槽板。主桁與橋面系均采用Q370qD 材質的鋼材。橋塔順橋向為單柱式、橫橋向為花瓶形(折線H 形），塔柱與橫梁均為空心矩形截面。除下橫梁與上塔柱索塔錨固區布置預應力外，橋塔其余部分均為C50 鋼筋混凝土結構。塔高分別為187m。全橋共布置56 對斜拉索，斜拉索采用鍍鋅高強鋼絲束，按平行的扇形雙索面布置，塔上索距為2.5 ～4m、梁上索距均為13.5m。為減少錨固點上非鉸效應的影響，梁端錨具設計成球鉸。

圖2 S12 ～S9 索錨固區實體分析模型

圖3 錨固區齒板局部

3 有限元模型的建立[1]

利用ANSYS 建立的計算模型，計算主要位置的應力，混凝土單元和錨墊板、承壓板采用塊體單元、預應力鋼束采用桿單元。其中，混凝土和錨墊板、承壓板采用solid64 單元，預應力鋼索采用link8 單元。

取隔離體進行分析，根據對計算結果的多次比較可知，模型上端面不約束，不影響計算結果，下端面約束僅僅影響最下面一個塔段，對于次下塔段的應力幾乎沒有任何影響。因此本次計算以考慮索力水平分量最大的塔段S11 為研究對象，建立了與其緊鄰的S9 ～S12 塔段進行分析。模型的上端面距塔頂9.25m。

按實際布置設置相應的井字型預應力，采用實體單元，考慮預埋鋼管、齒板、錨墊板等構造細節。邊界條件采用將最下部所有節點進行固結的方式。

4 模型計算結果[2-3]

為驗證索塔錨固區是否安全，應力儲備是否可靠，需要明確索塔錨固區應力狀態，以指導索塔錨固區的設計配筋。保證適當的安全儲備，進而保障成橋的安全使用。斜拉橋主要承受的荷載為自重、恒載、預應力及活載，溫度荷載在本次計算中暫不考慮。

為了能準確把握索錨固區附近塔壁應力分布情況，用實體、路徑、截面等顯示應力（圖中應力單位均為MPa）。其中各個符號意義表示如下：

（1）實體應力云圖中：SZYLx 代表順橋向正應力、SZYLy 代表橫橋向正應力、SZYLz 代表豎向正應力、SJYLx 代表順橋向剪應力、SJYLy 代表橫橋向剪應力、SJYLz 代表豎向剪應力、S1 代表第一主應力、S3 代表第三主應力。其中Tabi代表塔壁實體應力云圖，Chiban 代表齒板應力云圖。

（2）截面中，其中SZYLx 代表順橋向正應力、SZYLy 代表橫橋向正應力、SZYLz 代表豎向正應力、SJYLx 代表順橋向剪應力、SJYLy 代表橫橋向剪應力、SJYLz 代表豎向剪應力、S1 代表第一主應力、S3 代表第三主應力。斷面為水平面，豎向位置在對應塔段的中間。

經分析，齒板在承受自重、恒載、預應力及活載作用下，受力較為集中，變化較大，齒板第一主應力最大為2.33MPa，齒板第一主應力最小為-2.36MPa；齒板第三主應力最大為-3.82MPa，齒板第三主應力最小為-25.00MPa，如圖4～5所示。

圖4 S11 齒板第一主應力

圖5 S11 齒板第三主應力

經分析，臺壁在承受自重、恒載、預應力及活載作用下，受力較為集中，應力變化較大，臺壁第一主應力最大為2.5MPa，臺壁第一主應力最小為-1.99MPa；臺壁第三主應力最大為-0.92MPa，臺壁第三主應力最小為-12.40MPa，如圖6 ～7 所示。

圖6 S11 臺壁第一主應力

圖7 S11 臺壁第三主應力

經分析，臺壁在承受自重、恒載、預應力及活載作用下，受力較為集中，剪應力變化較大，臺壁順橋向剪應力最大為5.15MPa，最小為-2.9MPa；臺壁橫橋向剪應力最大為3.8MPa，最小為-3.95MPa；臺壁豎向剪應力最大為2.48MPa，最小為-2.97MPa，如圖8 ～10 所示。

圖8 S11 臺壁順橋向剪應力

圖9 S11 臺壁橫橋向剪應力

圖10 S11 臺壁豎向剪應力

經分析，臺壁在承受自重、恒載、預應力及活載作用下，受力較為集中，剪應力變化較大，臺壁順橋向正應力最大為2.54MPa，最小為-11.07MPa；臺壁橫橋向正應力最大為3.63MPa，最小為-8.94MPa；臺壁豎向正應力最大為1.15MPa，最小為-4.16MPa，如圖11 ～13 所示。

圖11 S11 臺壁順橋向正應力

圖12 S11 臺壁橫橋向正應力

圖13 S11 臺壁豎向正應力

經有限元分析，臺壁在承受自重、恒載、預應力及活載作用下，典型位置應力如表1。

表1 典型位置應力表

從上述分析結算結果可以看出，索塔錨固區在自重、恒載、預應力及活載的綜合作用下，應力十分復雜。索塔錨固區由于錨索集中荷載作用，且錨索應力很大，此區域應力十分不均勻，應力在每個方向應力變化巨大。通過對索塔錨固區的分析可知，在索塔錨固區每個斷面的不同區域，應力差別較大，設計中應精確分析，以最大應力處控制配筋設計，在設計時應該相對保守，安全儲備是加大，以保證橋梁的安全。

按本計算結果，指導本橋索塔錨固區的鋼束布置，可以得出各主要節點在最大索力階段的正應力大于1.5MPa，主壓應力小于6.4MPa，主拉應力小于0.5MPa。各項均滿足規范要求，安全儲備足夠，能夠保證結構的安全[4]。索塔錨固區各個局部的拉壓應力均在容許的范圍之內，結構處于安全狀態，并且沒有出現鋼材浪費的問題，方案相對經濟、穩妥、安全。

由于該局部應力比較復雜，計算結果與實際施工有差距，為了保證結構在承載能力和正常使用下均安全，需要施工過程進行嚴格控制，主要注意控制張拉的預應力大小（力和伸長量的雙重控制），對錨具回縮量、鋼絞線的松弛率等的按設計要求進行控制、對鋼絞線的位置（特別是斷面上位置）進行控制。

5 結論

通過采用實體模型對索塔錨固區進行分析，可以得出以下結論：

①索塔錨固區受力集中，應力復雜，常規分析很難了解真實的應力狀態，需要采用實體有限元模擬計算；

②為保證索塔錨固區的安全，該處設計應加大重視程度，通過實體模型分析可以保證設計方案中經濟、穩妥、安全，避免預壓應力過大或鋼材浪費的問題；

③由于該局部應力比較復雜，計算結果與實際施工有差距，為了保證結構在承載能力和正常使用下均安全，需要施工過程進行嚴格控制，主要注意控制張拉的預應力大小（力和伸長量的雙重控制），對錨具回縮量、鋼絞線的松弛率等的按設計要求進行控制、對鋼絞線的位置（特別是斷面上位置）進行控制。