矮塔斜拉橋索塔錨固區應力分布規律及計算模型研究

摘要：文章依據某矮塔斜拉橋，通過現場試驗探究索塔錨固區應力分布規律，明確索塔錨固區混凝土在施工過程中的應力變化特征。文章提出底部設置彈性支撐的局部有限實體計算分析模型，并通過實測值和理論值的對比分析驗證該計算分析模型的可行性。研究結果表明：施工過程中，索塔錨固區端部位置出現了拉應力，最大為1.2 MPa，施工時應考慮在錨固區端部增加橫向鋼筋；索塔錨固區混凝土橫向應力呈現出端部小中間位置大的規律；索塔錨固區實測應力值和理論值基本吻合，驗證了該計算分析模型用于計算索塔錨固區應力分析的可行性，為索塔錨固區的受力分析提供了技術支撐。

關鍵詞：矮塔斜拉橋；索塔錨固區；計算分析模型；應力分布；試驗

中圖分類號：U24文獻標志碼：A

0引言

矮塔斜拉橋的力學特性不同于斜拉橋和梁式橋，而是介于兩者之間。斜拉橋的拉索多數是單側和索塔直接固結，而矮塔斜拉橋拉索多是直接穿過索塔作用在主梁上，索塔處直接作用在索鞍處形成一根通長的拉索。索塔錨固區是矮塔斜拉橋的一個主要傳力部位，主梁重量通過拉索將自重作用在索塔錨固區，然后通過橋塔傳遞給橋墩和基礎，索塔錨固區在整個施工過程中受力較為復雜，為確保整個施工過程中斜拉橋的安全，需要掌握錨固區在整個施工過程中的受力特征。

為此，國內不少學者對其進行了研究。周暉[1]通過對主塔索鞍區的計算分析，發現中間大向兩邊逐漸減小。張海文等[2-3]通過數值分析探究了拉索與索鞍之間的接觸關系，并研究了拉索的半徑對錨固區混凝土應力的影響，認為施工中應對索鞍的安裝定位進行嚴格控制。部分學者依托實際工程對索塔區混凝土進行受力分析。張樹清和屈計劃[4]依托實際工程，建立索塔錨固區計算分析模型，得到索塔錨固區混凝土的應力分布規律。肖子旺[5]以常山大橋為依托建立全橋分析模型，基于等效原則通過變換索鞍結構形式，探究了索鞍形式對錨固區混凝土受力的影響規律。王洪龍和李佶[6]對拉索有無受力的極端狀態進行了分析，獲得了應力分布情況。林詩楓等[7]通過對寧江松花江特大橋建立了桿系和實體單元兩種計算分析模型進行了對比分析，探究了索塔錨固區孔道劈裂裂縫的成因。部分學者采用試驗的方法對索塔進行受力分析[8-11]。武俊彥等[12]以足尺模型試驗探究了索塔錨固區在對稱和不對稱荷載作用下受力。

以上文獻主要是采用有限元分析對錨固區混凝土受力進行的研究，缺少實測數據的驗證，且計算分析模型中約束條件與索塔錨固區實際受力不符，計算結果的準確性有待探究。因此，文章依托某實際工程的實測數據驗證有限元分析模型，確定邊界條件，探究矮塔斜拉橋索塔錨固區合理的實體計算分析模型，以期研究成果為同類橋梁的計算分析提供技術參考。

1工程概況

博羅東江特大橋（90+180+90）m索塔塔高29.0 m，雙柱式。每個索塔共布置7根拉索。主梁為變截面，塔墩梁為固結。主橋示意圖如圖1。

2試驗研究

2.1測點布置

在索塔澆筑混凝土前，就將事先準備好的應力傳感器布置在索塔的相應位置，以便索塔澆筑完成后，監測索塔內部在接下來的施工階段和成橋階段的應力變化。

在索塔S1（M1）號位置處選取5個典型截面布置傳感器，Ⅲ-Ⅲ截面在索鞍下方距孔道10 cm處、20 cm處和30 cm處如圖3（c）布置10#～17#傳感器，其中10#～12#傳感器為豎向，其余為橫向；Ⅱ-Ⅱ截面在索鞍下方距孔道10 cm處和20 cm處，如圖3（b）布置3#～9#傳感器，其中3#～5#傳感器為豎向，其余為橫向，Ⅳ-Ⅳ截面傳感器的布置和Ⅱ-Ⅱ截面的傳感器布置位置相同；Ⅰ-Ⅰ截面分別在10 cm和20 cm處布置一個橫向和一個豎向傳感器，這樣能較為真實地反映索塔受力位置的應力，Ⅴ-Ⅴ截面傳感器的布置和Ⅰ-Ⅰ截面的傳感器布置位置相同。具體布置位置和數量見圖2、圖3。

2.2現場測試結果

依據現場實際情況，對1#拉索索塔錨固區施工全過程進行監測，得到不同測點在不同施工階段錨固區混凝土豎向和橫向應力的分布。文章選取Ⅰ斷面豎向的2#測點、Ⅱ斷面豎向的4#測點和Ⅲ斷面的豎向11#測點數據進行分析，如圖4所示。

由圖4可以看出，在整個施工過程中，S1（M1）索塔錨固區混凝土應力在二期鋪裝前從3 Mpa到6 Mpa之間不斷變化，但是變化范圍較小，且最大壓應力僅為5.5 MPa。在橋面鋪裝后應力會增大，壓應力從4.5 MPa達到了9.0 Mpa，壓應力增大了1倍。

通過圖5可知，在施工過程中，S1（M1）索塔錨固區橫向不同測點的應力呈現出端部小中間位置大的規律。豎向均為壓應力，橫向在端部位置出現拉應力，但均未超出規范規定的容許應力。

3有限元分析模型的建立與驗證

3.1計算模型

利用ABAQUS分析軟件，采用由順橋向的建模方法，縱橋向為Z軸，橫橋向為X軸，豎向為Y軸，建立索塔固結部位的實體有限元模型，對該橋索塔錨固區進行仿真模擬。探究在不同工況下錨固處的混凝土應力分布情況。

索塔采用雙柱式橋塔形式橋面以上橋塔高29.0 m，橋面以上塔的高跨比為1/6.21。塔身截面為矩形，截面尺寸長寬為4.8 m×2.4 m，倒角為30 cm，如圖6所示。

現有的邊界條件均是采用固結，與實際情況不符。實際過程是不同位置的索塔在受力時由于橋塔有一定高度，在發生變形時包含底部橋塔變形產生的轉動變形，取局部建立有限元分析模型時，若直接采用底部固結的方式而不考慮對應的轉動變形時，會使計算結果偏大，實際偏于保守，增加建設成本。因此為準確模擬索塔的受力，建議建立局部分析模型時底部豎向邊界條件采用彈性支撐，其中剛度可以依據MIDAS中模型進行計算。有限元模型如圖7所示。計算結果如圖8所示。

由圖8中圖（a）可知，底部固結時因為不考慮塔身下部和橋墩的變形致使計算結果偏大。由圖8中圖（b）可知，底部采用彈性連結時，計算結果實測數據基本一致。說明修正后的該計算分析模型可以有效計算索塔的受力特征。

3.2理論值與實測值對比

通過上述分析發現，采用底部彈性連結的方式可提高計算結果的精度，利用該模型進行施工階段全過程的分析，并與實測值進行對比分析，驗證該模型的正確性和合理性，探究該計算分析模型是否可用于索塔錨固區的應力分析。限于篇幅僅對2#測點和11#測點進行對比如圖9所示，誤差分析數

由圖9可知，理論值與實測值基本一致。通過圖10誤差對比分析，理論值與實測值的最大誤差為-17.43%，底部采用彈性約束的有限元模型可有效模擬索塔在不同施工階段的受力特征。

4結論

（1）施工過程中，索塔錨固區端部位置出現了拉應力，未超出容許拉應力。在橋面鋪裝后應力會增大，拉應力增大。建議以后同類橋梁施工過程中在端部增加橫向拉筋。

（2）施工過程中，索塔錨固區混凝土橫向應力呈現出端部小中間位置大的規律。豎向均為壓應力，橫向在端部位置出現拉應力，但均未超出規范規定的容許應力。建議以后同類橋梁設計時應考慮橫向鋼筋的數量，確保施工過程中的安全。

（3）文章提出了底部設置彈性支撐的局部有限實體計算分析模型，并通過實測值和理論值的對比分析，驗證了該計算分析模型用于計算索塔錨固區應力分析的可行性，為索塔錨固區的受力分析提供了技術支撐。

參考文獻：

[1]周暉.矮塔斜拉橋分絲管索鞍區混凝土抗劈裂性能有限元分析[J].公路交通技術，2017，33（4）：92-97.

[2]張海文，李亞東.矮塔斜拉橋索鞍混凝土局部應力分析[J].鐵道標準設計，2009（1）：42-44.

[3]張海文.矮塔斜拉橋索鞍局部混凝土應力分析[D].成都：西南交通大學，2008.

[4]張樹清，屈計劃.矮塔斜拉橋索鞍靜力分析[J].交通科技，2014（5）：25-27.

[5]肖子旺.矮塔斜拉橋索鞍空間應力測試與分析[D].哈爾濱：東北林業大學，2013.

[6]王洪龍，李佶.基于Abaqus的懸索橋主索鞍應力分析[J].天津建設科技，2018，28（6）：61-63.

[7]林詩楓，黃僑，胡雪峰，等.基于擴展有限元法的部分斜拉橋索鞍抗裂性分析[J].橋梁建設，2015，45（1）：68-73.

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[11]譚長建，祝兵，季文洪.矮塔斜拉橋索鞍節段模型試驗研究[J].中外公路，2008（4）：170-172.

[12]武俊彥，姜秀娟，王來永，等.斜拉加固用滑動索鞍模型靜載試驗研究[J].公路交通科技（應用技術版），2018，14（12）：136-138.

Research on the Stress Distribution Law and Calculation Model of theAnchoring Zone in the Cable Tower of Short Pylon Cable-stayed Bridge

ZHANG Tao，LIWeijun，ZHUDong，DENGTao，LI Yongming

（China Railway No.2 Bureau No.4 Engineering Co.，Ltd.，Chengdu Sichuan 610300，China）

Abstract：Based on a cable-stayed bridge with a low pylon，the stress distribution law in the anchoring area of pylon is studied through field tests，and the stress variation characteristics of concrete in the anchoring area of pylon are determined.A local finite entity model with elastic support at the bottom is proposed，and the feasibility of the model is verified by comparing the measured and theoretical values.The results show that tensile stress occurs at the end of the anchoring area of the cable tower during construction，with the maximum value of 1.2 MPa，and the transverse reinforcement should be added to the end of the anchoring area during construction.The transverse stress of the concrete in the anchoring area of the cable tower is small at the end and large in the middle.The measured stress in the anchoring area of the cable tower is basically consistent with the theoretical value，which verifies the feasibility of the calculation and analysis model for the stress analysis in the anchoring area of the cable tower，and provides technical support for the stress analysis in the anchoring area of the cable tower.

Keywords：extradosed cable-stayed bridge;pylon anchorage zone;computational analysis model;stressdistri-bution;test