鋼錨梁索塔錨固區(qū)單節(jié)段有限元受力分析

韋勇克 陳啟嬋

作者簡介：

韋勇克（1971—），高級(jí)工程師，主要從事橋梁隧道設(shè)計(jì)工作;

陳嬋（1989—），工程師，碩士，主要從事橋梁設(shè)計(jì)工作。

文章結(jié)合平南相思洲大橋工程實(shí)例，運(yùn)用有限元軟件對該橋索塔錨固區(qū)不平衡索力最大的節(jié)段模型進(jìn)行計(jì)算，分析索塔錨固區(qū)水平荷載傳遞途徑及受力特點(diǎn)。結(jié)果表明：鋼錨梁與牛腿的連接方式對混凝土塔壁產(chǎn)生的拉應(yīng)力最小;在不平衡索力作用下，特別是斷索工況，混凝土塔壁會(huì)存在拉應(yīng)力集中的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在索塔錨固區(qū)混凝土適當(dāng)加強(qiáng)鋼筋與預(yù)應(yīng)力筋的布置。

斜拉橋;鋼錨梁;牛腿;索塔錨固區(qū);混凝土塔壁;斷索

U448.21A411425

0 引言

近年來，鋼錨梁以其受力明確、造價(jià)較低、施工方便快捷的特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用在斜拉橋的索塔錨固區(qū)上。鋼錨梁設(shè)置在索塔錨固區(qū)內(nèi)部的牛腿上，主要承擔(dān)塔端拉索的水平分力，拉索的豎向分力則通過牛腿傳到混凝土塔壁，由混凝土橋塔承擔(dān)[1-2]。

本文以平南相思洲大橋?yàn)楸尘?，對索塔錨固區(qū)施工過程中鋼錨梁與塔柱牛腿不同的約束連接方式進(jìn)行有限元計(jì)算分析，通過對比更好地了解拉索水平分力在鋼錨梁的傳力途徑、鋼錨梁與混凝土塔壁間的受力分配。同時(shí)，進(jìn)一步考察鋼錨梁和塔壁的不利情況，分析斷索工況下其受力特點(diǎn)。

1 工程概況

平南相思洲大橋主橋?yàn)殡p塔雙索面組合梁斜拉橋，跨徑布置為（40+170+450+170+40）m，結(jié)構(gòu)整體為半漂浮體系，橋型布置見圖1。橋塔形式為鉆石型，南、北塔高均為147.3 m，分別設(shè)置2×20對斜拉索，全橋共160根。上塔柱為等截面箱型，外輪廓尺寸為7.0 m（順橋向）×4.5 m（橫橋向），橫橋向側(cè)面斜率為1/7.813 81（即7.293°）。拉索塔端的錨固設(shè)在上塔柱，均采用鋼錨梁的錨固形式，每套鋼錨梁平行于主塔設(shè)置。鋼錨梁具體構(gòu)造見圖2。

2 索塔錨固區(qū)水平荷載傳遞途徑及受力特點(diǎn)

鋼錨梁與牛腿兩者間不同的連接方式有著不同的荷載分配關(guān)系。鋼錨梁與牛腿的連接及傳力方式主要有以下的情況：

（1）滑動(dòng)連接：鋼錨梁與牛腿兩者間通過設(shè)置四氟乙烯板，可形成縱向相對滑動(dòng)的關(guān)系，拉索水平分力較大一側(cè)會(huì)使鋼錨梁緊貼塔壁，鋼錨梁主要承受平衡水平分力，通過擋塊將不平衡水平力傳遞至混凝土塔壁[3-4]。

（2）固定連接：超靜定結(jié)構(gòu)，鋼錨梁與牛腿兩者間處于固定狀態(tài)，鋼錨梁和塔壁在順橋向上共同變形，水平荷載會(huì)根據(jù)變形協(xié)調(diào)原則分配，分別由鋼錨梁和混凝土塔壁承擔(dān)[4-6]。

（3）一端滑動(dòng)連接、另一端固定連接：鋼錨梁仍為主要受力結(jié)構(gòu)，固定約束端支座將不平衡水平分力傳遞至混凝土塔壁[4-7]。此種結(jié)構(gòu)的受力模式相對明了，也是本橋所采用的連接方式。

3 空間分析模型

3.1 有限元模型

建立索塔錨固區(qū)ANSYS有限元模型，以不平衡索力最大、結(jié)構(gòu)受力最為不利的20#（荔浦側(cè)）鋼錨梁作為研究對象進(jìn)行計(jì)算。模型中鋼錨梁與牛腿各部分的鋼結(jié)構(gòu)板件均采用Solid187實(shí)體單元模擬，混凝土塔壁采用Solid65單元模擬，分析模型定義節(jié)點(diǎn)141 160個(gè)，單元132 040個(gè)。模型如圖3所示。

3.2 荷載與邊界條件

結(jié)構(gòu)分析時(shí)施加的外荷載為自重與拉索索力。索力按施工順序的一張、二張、成橋索力進(jìn)行加載，索力轉(zhuǎn)化為面荷載分別施加在對應(yīng)的錨墊板的表面上。鋼錨梁與鋼牛腿兩者間固結(jié)和滑動(dòng)的連接均采用接觸分析，采用接觸單元Conta174與Targe170進(jìn)行模擬。當(dāng)為滑動(dòng)模擬時(shí)，采用滑動(dòng)端摩擦系數(shù)為0.05的滑動(dòng)接觸;當(dāng)為固定模擬時(shí)，則設(shè)置為綁定接觸。

3.3 分析工況

施工過程的分析主要根據(jù)鋼錨梁與牛腿的不同連接方式進(jìn)行計(jì)算比較。由于滑動(dòng)連接的水平荷載分配關(guān)系較為簡單，同時(shí)，基于本橋的構(gòu)造特點(diǎn)，故本文研究的連接方式分別為固定連接與一端滑動(dòng)、另一端固定的連接。具體工況如下：

（1）工況一：鋼錨梁與牛腿的連接方式為張拉時(shí)中跨滑動(dòng)邊跨固定，張拉后中跨滑動(dòng)端被固結(jié)起來，即成橋時(shí)兩端固定的體系，也是本橋的設(shè)計(jì)方案。

（2）工況二：鋼錨梁與牛腿的連接方式為張拉時(shí)邊跨滑動(dòng)中跨固定，張拉后也將邊跨端固結(jié)起來。

（3）工況三：鋼錨梁與牛腿的連接方式為從張拉到成橋，兩端均為固定約束。

同時(shí)，為進(jìn)一步考察鋼錨梁和塔壁的不利情況，斷索工況出現(xiàn)的概率雖然不高，但設(shè)計(jì)中應(yīng)予以考慮與重視。

（4）工況四：假設(shè)錨固在鋼錨梁邊跨側(cè)的斜拉索斷裂，斷索工況下，鋼錨梁與牛腿兩端均為固定體系。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 施工時(shí)混凝土塔壁的受力

鋼錨梁與牛腿的連接方式處于一端滑動(dòng)、另一端固定時(shí)，計(jì)算結(jié)果見表1～4中的工況一、工況二。固定連接時(shí)，水平索力的分配應(yīng)由變形協(xié)調(diào)條件通過計(jì)算確定，計(jì)算結(jié)果見表1～4中的工況三。

索塔錨固區(qū)混凝土的應(yīng)力較大，混凝土側(cè)壁在拉索水平分力作用下主要承擔(dān)水平分力的拉伸和彎曲作用，以塔壁內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力最大。根據(jù)上述各工況對比可知，工況一在中跨滑動(dòng)邊跨固定的連接方式下，塔壁內(nèi)側(cè)混凝土主拉應(yīng)力值最小，成橋索力作用下為1.88 MPa。工況三兩端均固定方式下，成橋索力作用下塔壁內(nèi)側(cè)主拉應(yīng)力的最大值可達(dá)2.85 MPa。這主要是鋼錨梁兩端固定約束，部分拉索的水平力由鋼牛腿傳遞至混凝土塔壁，從而引起牛腿背面的塔壁主拉應(yīng)力集中。塔壁內(nèi)、外側(cè)主壓應(yīng)力相差不大，均在容許的范圍內(nèi)。

在不同索力下，采用不同鋼錨梁與牛腿約束方式，混凝土塔壁內(nèi)、外側(cè)混凝土主應(yīng)力變化趨勢一致，由于約束條件直接影響斜拉索水平分力的分配比例，由計(jì)算結(jié)果可知，兩端均固定的連接要比一端滑動(dòng)、另一端固定的應(yīng)力大。同時(shí)，對于鋼錨梁僅一端固定、另一端先滑動(dòng)的方式，計(jì)算結(jié)果表明中跨滑動(dòng)邊跨固定方式要優(yōu)于邊跨滑動(dòng)中跨固定方式，其原因主要是中跨側(cè)索力稍大于邊跨側(cè)。

從結(jié)構(gòu)安全性和耐久性出發(fā)，本橋在中跨滑動(dòng)邊跨固定下，索塔錨固區(qū)混凝土仍存在一定范圍內(nèi)的拉應(yīng)力，在混凝土索塔錨固區(qū)適當(dāng)加強(qiáng)鋼筋與預(yù)應(yīng)力筋的布置是有利的。

4.2 施工時(shí)鋼錨梁的受力

索塔錨固區(qū)中，鋼錨梁承受較大的集中力作用，各板件計(jì)算結(jié)果見表5。不同約束條件鋼錨梁應(yīng)力有一些差距，但相差不大。鋼錨梁作為拉索水平分力的主要受力結(jié)構(gòu)，無論采用哪種方式其應(yīng)力水平都比較合適，最大等效應(yīng)力位于錨墊板開口邊緣處，為277.4 MPa。工況一鋼錨梁成橋索力的等效應(yīng)力見圖4。

同時(shí)，計(jì)算結(jié)果表明，三種工況的變形趨勢和位移的分布基本相同（見表6）。由于鋼錨梁整體抗彎剛度較大，鋼壁板通過剪力釘和抗剪鋼板與混凝土塔壁連接，面外彎曲剛度較高。鋼錨梁在斜拉索水平分力作用下受拉伸變形，有一定的中拱變形，但位移量極少，可忽略。

4.3 斷索工況的受力

斷索工況下，塔壁承受運(yùn)營階段中跨端拉索水平分力，不計(jì)斷索的瞬時(shí)沖擊，中跨側(cè)塔壁內(nèi)側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中，主拉應(yīng)力最大值達(dá)3.93 MPa，塔壁外側(cè)主拉應(yīng)力最大值為2.63 MPa。斷索的邊跨端塔壁彎曲為主，邊跨側(cè)塔壁最大主拉應(yīng)力為1.64 MPa。設(shè)計(jì)時(shí)在混凝土索塔錨固區(qū)應(yīng)力較大的位置配置鋼筋與預(yù)應(yīng)力筋可避免產(chǎn)生的不利影響。

斷索工況下，鋼錨梁與牛腿的連接方式為固結(jié)連接，鋼錨梁的最大等效應(yīng)力為302 MPa（見圖5），最大應(yīng)力同樣位于錨墊板開口邊緣處。設(shè)計(jì)時(shí)錨墊板采用Q420D鋼材，斷索工況出現(xiàn)的概率比較低，其仍能使安全得到保證。

5 結(jié)語

（1）鋼錨梁與牛腿的約束條件會(huì)影響斜拉索水平分力的分配比例。平南相思洲大橋索塔錨固區(qū)張拉時(shí)中跨滑動(dòng)邊跨固定，張拉后兩端固定約束。計(jì)算表明，此種連接方式對混凝土塔壁產(chǎn)生的拉應(yīng)力影響最小，有利于施工過程中混凝土索塔錨固區(qū)的受力。

（2）在不平衡索力作用下，特別是斷索工況，在混凝土塔壁內(nèi)、外側(cè)存在拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，在索塔的錨固區(qū)混凝土內(nèi)應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋的布置。

（3）鋼錨梁是拉索水平分力的主要受力結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)滿足要求。

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