大跨度斜拉橋索塔節(jié)段試驗(yàn)與有限元分析

虞奇　李靖　劉韶輝　聶磊鑫

摘? 要：索塔錨固區(qū)作為斜拉橋受力關(guān)鍵構(gòu)件，其受力十分復(fù)雜，單純的采用力學(xué)計(jì)算和平面模型分析無法模擬出索塔錨固結(jié)構(gòu)在實(shí)際受力中的真實(shí)性。文章以唐山二環(huán)路上跨津山鐵路等既有鐵路立交橋轉(zhuǎn)體斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用有限元空間理論模型結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)，通過對兩者結(jié)果的對比分析，研究索塔錨固區(qū)的受力性能及應(yīng)力分布規(guī)律，為大型斜拉橋的設(shè)計(jì)施工提供了理論參考。

關(guān)鍵詞：斜拉橋;索塔節(jié)段;試驗(yàn)分析;有限元

中圖分類號：U448.27 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）18-0001-06

Abstract： As the key component of the cable-stayed bridge， the anchorage area of the cable tower is very complicated. Simply using mechanical calculation and plane model analysis can not simulate the authenticity of the pylon anchor structure under actual stress. Based on the engineering condition of the existing railway overpass and the cable-stayed bridge over the Jinshan Railway on the Tangshan Second Ring Road， this paper uses the finite element space theory model combined with field tests to study the force of the anchorage area of the cable tower. Through the comparative analysis of the results of the two， the mechanical performance and stress distribution law of the cable tower anchorage area are studied， which provides a theoretical reference for the design and construction of large cable-stayed bridges.

Keywords： cable-stayed bridge; cable tower section; test analysis; finite element

1 概述

近年來，大跨度斜拉橋的逐漸普及，由于結(jié)構(gòu)功能的需求，環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束的索塔錨固形式日漸增多，而作為傳遞斜拉橋上部結(jié)構(gòu)自重和外荷載的關(guān)鍵構(gòu)件，索塔錨固區(qū)的應(yīng)力作用機(jī)理一直備受廣大學(xué)者關(guān)注。

目前國內(nèi)外主要采用空間有限元進(jìn)行仿真分析和索塔節(jié)段模型試驗(yàn)兩種手段進(jìn)行研究。受環(huán)境和經(jīng)費(fèi)影響，早期學(xué)者采用單純有限元分析方法居多，例如李立峰[1]對衡陽市湘江三橋、嚴(yán)少波[2]對荊州長江公路大橋、韓富慶[3]對安慶長江公路大橋等學(xué)者均對目標(biāo)索塔錨固區(qū)采用了較為詳細(xì)的分析，但是考慮到實(shí)際索塔結(jié)構(gòu)受施工條件和環(huán)境影響大，單純的理論分析無法真實(shí)模擬出實(shí)橋受力，需要進(jìn)一步采用試驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證結(jié)構(gòu)的安全性能。在試驗(yàn)方法上，除潤揚(yáng)長江公路大橋[4]、廣中江高速公路西江水道橋[5]等少數(shù)索塔模型試驗(yàn)采用斜向加載外，索塔節(jié)段均從方便建模和簡化試件的角度上采用水平向加載。這種做法雖然在理論值和試驗(yàn)值上保持較好的一致性，但是大大降低了仿真效果，偏離了實(shí)橋?qū)嶋H受力情況。采用斜向加載又需要制作混凝土梯形臺座，作為斜拉索的反力梁，雖然較為真實(shí)的模擬出索塔錨固區(qū)的受力，但是需要試驗(yàn)各輔助構(gòu)件具有足夠的安全儲備，大大提高了試驗(yàn)費(fèi)用，這就需要探索新的試驗(yàn)方法以兼?zhèn)鋬烧邇?yōu)點(diǎn)。

在對于大型斜拉橋索塔節(jié)段應(yīng)力分析的廣泛研究中，大部分學(xué)者往往使用節(jié)段模型試驗(yàn)及有限元分析相結(jié)合的手段。例如，項(xiàng)貽強(qiáng)[6]、趙志剛[7]及王鵬[8]等人分別以南京長江第二橋、紫金大橋及金華江大橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑢π崩瓨蛩魉?jié)段進(jìn)行足尺模型試驗(yàn)，并采用有限元分析軟件建立其空間分析模型，對索塔節(jié)段進(jìn)行應(yīng)力分析，這樣可以通過兩者結(jié)果的對比確保應(yīng)力分析結(jié)果的正確性，兩種方法優(yōu)劣互補(bǔ)，相互驗(yàn)證，為橋梁建設(shè)提供理論參考。

2 工程背景

本文以唐山二環(huán)路上跨津山鐵路等既有鐵路立交橋轉(zhuǎn)體斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?。該橋主橋結(jié)構(gòu)體系采用半漂浮體系，跨徑組成為（34+81+115）m，總長230m。為了承受斜拉索巨大的張力，索錨區(qū)塔柱截面設(shè)置U型預(yù)應(yīng)力鋼束，鋼束彎曲半徑1.5m，鋼束規(guī)格分別采用12-?S15.2、9-?S15.2 及 7-?S15.2鋼絞線，布置間距20cm?？拷魉敳康牡?6對拉索表現(xiàn)出最大索力，最大索力為3409.5kN。索塔節(jié)段錨固區(qū)構(gòu)造如圖1所示。

3 索塔節(jié)段試驗(yàn)?zāi)Ｐ图坝邢拊Ｐ?/p>

本文使用索塔節(jié)段模型試驗(yàn)與有限元分析相結(jié)合的方式對索塔節(jié)段應(yīng)力進(jìn)行分析。試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鞅壤秊?：1，模型混凝土強(qiáng)度等級為C55，混凝土材料經(jīng)試驗(yàn)測得平均抗壓強(qiáng)度為55.73MPa，抗壓彈性模型平均值為3.03×104MPa，在索塔試驗(yàn)?zāi)Ｐ湾^固區(qū)腹板內(nèi)外側(cè)（N、S方位）及非錨固區(qū)腹板內(nèi)外側(cè)（W、E）布置測點(diǎn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皽y點(diǎn)方位布置如圖2所示，測點(diǎn)布置如圖3所示。同時(shí)采用大型通用有限元軟件ANSYS，按照唐山二環(huán)線斜拉橋索塔節(jié)段實(shí)際尺寸建立分析模型，如圖4所示?；炷敛捎?節(jié)點(diǎn)solid65單元模擬，U形預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用link8單元模擬，齒塊錨墊板采用solid45彈性單元模擬。

4 計(jì)算結(jié)果分析對比

本文參照索塔節(jié)段足尺模型試驗(yàn)工序，圍繞以下三種荷載工況對索塔節(jié)段應(yīng)力展開分析比較：（1）U形預(yù)應(yīng)力筋單獨(dú)作用下索塔節(jié)段模型的應(yīng)力分布;（2）正常工作索

力作用下（3400kN）索塔節(jié)段模型的應(yīng)力分布;（3）加載設(shè)備峰值荷載（9000kN）索力荷載下索塔節(jié)段模型的應(yīng)力分布。

4.1 U形預(yù)應(yīng)力筋單獨(dú)作用下的應(yīng)力分析對比

表1為部分測點(diǎn)在預(yù)應(yīng)力下的實(shí)測值與有限元模型的理論值對比。觀察表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y點(diǎn)在U形預(yù)應(yīng)力束的緊箍作用下，錨固區(qū)腹板外側(cè)大部分測點(diǎn)表現(xiàn)出較大的壓應(yīng)力響應(yīng)，越靠近索管口附近，應(yīng)力水平越大;非錨固區(qū)腹板內(nèi)側(cè)測點(diǎn)壓應(yīng)力比外側(cè)大很多，尤其是在齒塊高度處，壓應(yīng)力達(dá)-17.3MPa，這與有限元模型表現(xiàn)出受力特點(diǎn)一致。由此可見，有限元模型與試驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型在關(guān)鍵測點(diǎn)的應(yīng)力大小及應(yīng)力分布趨勢較為一致，說明索塔節(jié)段模型設(shè)計(jì)與實(shí)橋上塔柱的構(gòu)造細(xì)節(jié)一致，試驗(yàn)加載方案合理，能較真實(shí)的反映實(shí)橋上塔柱結(jié)構(gòu)的受力性能，試驗(yàn)結(jié)果可信。

4.2 正常工作索力作用下的應(yīng)力分析對比

將有限元模型在正常工作索力作用下的理論分析結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖5～圖12所示。

由對比結(jié)果可知：除個(gè)別測點(diǎn)，模型上大部分測點(diǎn)的實(shí)測結(jié)果與有限元理論分析結(jié)果較為吻合。測點(diǎn)的試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果與有限元理論結(jié)果曲線保持相似的發(fā)展趨勢，基本上呈線性發(fā)展?fàn)顟B(tài)。測點(diǎn)反映出的腹板受力規(guī)律也大致相同，即錨固區(qū)腹板處于壓彎受力狀態(tài)，非錨固區(qū)腹板處于拉彎受力狀態(tài)。測點(diǎn)W-10、E-13等測點(diǎn)雖然在數(shù)值上波動較大，與有限元理論分析結(jié)果也有較大的差距，但整體應(yīng)力發(fā)展曲線仍然與有限元理論分析一致，歸其原因?yàn)椴牧喜痪鶆蛩隆?/p>

4.3 9000kN水平荷載作用下的應(yīng)力分析對比

將模型在9000kN索力作用下的理論分析結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖13～圖18所示。

由比較結(jié)果觀察可得，在索力較小的時(shí)候，大部分測點(diǎn)的實(shí)測值與有限元理論值吻合較好，測點(diǎn)的試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果與有限元理論結(jié)果曲線保持相同的發(fā)展趨勢，證明試驗(yàn)加載方案合理，能較真實(shí)的反映實(shí)橋上塔柱結(jié)構(gòu)的受力性能，試驗(yàn)結(jié)果可信。當(dāng)荷載繼續(xù)增大，試驗(yàn)?zāi)Ｐ突炷敛牧祥_始出現(xiàn)非線性發(fā)展甚至開裂，應(yīng)力曲線開始出現(xiàn)突變，逐漸脫離有限元理論分析結(jié)果。S-L-6、N-R-10等測點(diǎn)位于錨固區(qū)腹板外側(cè)， 7000kN索力作用前基本處于線性增長階段，當(dāng)荷載增大到7500kN時(shí)該部分測點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力突變的現(xiàn)象，觀察試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶l(fā)現(xiàn)索管口附近已有多處細(xì)小裂縫，表明試驗(yàn)測試結(jié)果與試驗(yàn)現(xiàn)象保持一致。雖然彈性有限元理論模型無法模擬出混凝土非線性發(fā)展規(guī)律，但是通過對比實(shí)測結(jié)果和有限元理論結(jié)果可以更加明確的判斷測點(diǎn)的破壞荷載等級，進(jìn)而確定索塔節(jié)段模型的承載能力極限荷載。

5 結(jié)論

本文結(jié)合現(xiàn)場索塔錨固區(qū)節(jié)段模型試驗(yàn)，建立了精細(xì)化有限元模型。通過有限元模型對索塔節(jié)段應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，并對比試驗(yàn)測試結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）索塔錨固區(qū)節(jié)段模型在U形預(yù)應(yīng)力筋作用下，有限元模型與試驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型在關(guān)鍵測點(diǎn)的應(yīng)力大小及應(yīng)力分布趨勢較為一致。各截面測點(diǎn)表現(xiàn)出較明顯的應(yīng)力分布規(guī)律。

（2）正常工作索力作用下，除個(gè)別測點(diǎn)，大部分測點(diǎn)的實(shí)測結(jié)果與理論分析結(jié)果較為一致，基本上應(yīng)力呈線性發(fā)展?fàn)顟B(tài)。兩組結(jié)果反映出的腹板受力規(guī)律也大致相同，即錨固區(qū)腹板處于壓彎受力狀態(tài)，非錨固區(qū)腹板處于拉彎狀態(tài)。

（3）在9000kN超載索力作用下，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y點(diǎn)應(yīng)力及開裂規(guī)律均與有限元模型較為一致，進(jìn)一步表明模型能夠真實(shí)的模擬索塔錨固區(qū)受力情況。

參考文獻(xiàn)：

[1]李立峰，邵旭東，曾田勝.斜拉橋小尺寸預(yù)應(yīng)力索塔的布束設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[J].公路，2000（10）：1-3.

[2]嚴(yán)少波，裴丙志.斜拉橋索塔拉索錨固區(qū)空間應(yīng)力分析模型[J].中外公路，2000（3）：22-24.

[3]韓富慶，楊成斌，婁建，等.安慶長江公路大橋索塔錨固區(qū)受力分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002，25（6）：1167-1170.

[4]歐慶保，王強(qiáng).潤揚(yáng)長江公路大橋北汊斜拉橋索塔錨固區(qū)足尺模型試驗(yàn)：中國公路學(xué)會橋梁和結(jié)構(gòu)工程學(xué)會2003年全國橋梁學(xué)術(shù)會議[Z].中國成都：2003.

[5]崔楠楠，賈布裕，余曉琳，等.斜拉橋單向預(yù)應(yīng)力體系索塔錨固區(qū)足尺模型試驗(yàn)研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，43（05）：61-69.

[6]項(xiàng)貽強(qiáng)，易紹平，杜曉慶，等.南京長江二橋南汊橋斜拉索塔節(jié)段足尺模型的研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2000（01）：15-22.

[7]趙志剛.紫金斜拉橋索塔錨固段局部應(yīng)力分析與試驗(yàn)研究[D].中南大學(xué)，2007.

[8]王鵬.金華江大橋索塔錨固區(qū)節(jié)段足尺模型試驗(yàn)研究[J].公路與汽運(yùn)，2005（4）：103-106.

[9]丁志威，張峻峰，武修雄，等.斜拉橋索塔與索梁錨固區(qū)局部應(yīng)力分析[J].交通科技，2011（05）：4-7.

[10]Byung-Wan Jo Y B A G. Structural behavior of cable anchorage zones in prestressed concrete cable-stayed bridge[J]. Canadian Journal of Civil Engineering，2002，29（1）：171-180.