聯(lián)塔分幅混凝土斜拉橋索塔錨固區(qū)設(shè)計

李邦映

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088;2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

大跨徑斜拉橋索塔錨固方式目前主要有側(cè)壁錨固、鋼錨箱錨固、鋼錨梁錨固以及近年來在五河定淮大橋和蕪湖長江公路二橋上使用的回轉(zhuǎn)式鞍座錨固等形式[1]，其中，側(cè)壁錨固是直接將斜拉索錨固在混凝土索塔內(nèi)壁的齒塊上，無需額外設(shè)置鋼錨箱、鋼錨梁或鞍座，當(dāng)斜拉索索力不是很大，經(jīng)濟(jì)性要求高或降低運營養(yǎng)護(hù)難度且施工進(jìn)度允許時，具有較大的優(yōu)勢。為抵抗斜拉索索力，克服塔壁拉應(yīng)力，索塔錨固區(qū)需設(shè)置強(qiáng)大的環(huán)向預(yù)應(yīng)力，在索力和預(yù)應(yīng)力的共同作用下受力復(fù)雜，是保證橋梁安全和正常使用的關(guān)鍵部位，也是橋梁設(shè)計的重點和難點。

本文以G237蒙城繞城段一級公路改建工程渦河特大橋主橋為例，介紹索塔錨固區(qū)環(huán)向預(yù)應(yīng)力設(shè)計情況，供類似工程參考。

1 工程概況

G237蒙城繞城段一級公路改建工程渦河特大橋主橋采用跨徑組合為(165+83+40)m的聯(lián)塔分幅混凝土獨塔不對稱斜拉橋，塔梁固結(jié)體系。

主梁采用分幅式斷面，單幅全寬26.35 m，梁高2.6 m，標(biāo)準(zhǔn)段采用雙邊箱梁斷面，邊跨現(xiàn)澆段因配重采用單箱四室斷面。

如圖1所示，主塔采用簡潔的三柱式聯(lián)體寶鼎形塔，C50混凝土，塔柱豎直，塔柱總高98.824 m，邊、中塔肢的上塔柱高分別為77.5 m和78.0 m。錨固區(qū)塔柱采用矩形截面，順橋向?qū)?.5 m，邊、中塔肢壁厚分別為0.7 m和1.0 m；橫橋向，邊、中塔肢寬分別為5.0 m和6.0 m，壁厚均為1.2 m。錨固區(qū)施加環(huán)向預(yù)應(yīng)力，環(huán)向預(yù)應(yīng)力采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa、公稱直徑15.2 mm的低松弛鋼絞線。

圖1 索塔構(gòu)造圖(單位：cm)

斜拉索橫橋向按照四索面扇形布置，單幅主梁邊、中跨各19對，沿塔柱中心線的豎向標(biāo)準(zhǔn)間距均為2.0 m，通過混凝土齒塊錨固在塔柱內(nèi)壁上。

2 索塔錨固區(qū)設(shè)計方法

為抵抗斜拉索的索力，克服塔壁拉應(yīng)力，側(cè)壁錨固時需要在索塔錨固區(qū)內(nèi)施加較為強(qiáng)大的環(huán)向預(yù)應(yīng)力，過去一般采用井字形直線束，多用精軋螺紋鋼筋，由于存在較大的預(yù)應(yīng)力損失以及塑料波紋管和真空壓漿技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)多采用大噸位小半徑的U形鋼絞線束，為受力合理和節(jié)約造價可采用直線束和U形束兼而有之的混合布置方式。

索塔錨固區(qū)環(huán)向預(yù)應(yīng)力如何設(shè)計，尚無統(tǒng)一的方法和判斷準(zhǔn)則，目前主要有以下方法：

(1)空間有限元法。索塔錨固區(qū)作為受力復(fù)雜區(qū)域，利用有限元軟件建立局部實體模型[2]，盡可能模擬真實的荷載和邊界條件，能夠直接獲得結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，是目前廣泛采用并行之有效的數(shù)值分析方法，也是規(guī)范[1]建議的首選方法，但該方法無法直接指導(dǎo)配筋，且對分析人員的理論和經(jīng)驗要求均較高，目前也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同的人可能得出不同的結(jié)果。

(2)平面框架法。這是為便于工程師掌握運用而提出的一種簡化平面桿系計算方法，取塔高方向一定高度的塔柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段建立平面框架模型[3,4]，從而可以按照常規(guī)方法進(jìn)行配筋和驗算，有項目結(jié)合具體橋塔特點將塔壁進(jìn)一步簡化為簡支梁進(jìn)行分析[5]。該方法簡單易行，但由于索塔錨固區(qū)并不符合平截面假定，簡化依據(jù)目前尚不充分，計算高度等參數(shù)選擇比較隨意，計算結(jié)果可靠性存疑，尚未得到規(guī)范認(rèn)可，可作為一個輔助設(shè)計手段。

(3)拉壓桿模型分析法[6,7]。索塔錨固區(qū)作為典型的應(yīng)力擾動區(qū)，可以將斜拉索索力分解為豎向力和水平力采用拉壓桿模型分別進(jìn)行配筋驗算。該方法建立在反映混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳力機(jī)制的桁架模型基礎(chǔ)上的合理簡化計算方法，但需要通過荷載路徑法、應(yīng)力跡線法、力流線法等方法構(gòu)建拉壓桿模型，過程較為復(fù)雜且有一定困難，對分析人員的理論和經(jīng)驗要求較高，且同樣難以反映錨固區(qū)的實際應(yīng)力分布，應(yīng)用難度較大。

(4)模型試驗法[3]。對于索力大的重要大型橋梁，除了采用空間有限元法進(jìn)行計算外，往往需要委托專業(yè)科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗驗證，花費大、周期長，且難以指導(dǎo)設(shè)計配筋，一般項目上采用的可能性比較小。

平面框架法、拉壓桿模型分析法由于無法反映錨固區(qū)的實際應(yīng)力分布，通常作為輔助方法對錨固區(qū)初步配筋，再建立空間有限元局部模型進(jìn)行復(fù)核和優(yōu)化。

G237蒙城繞城段一級公路改建工程渦河特大橋主橋索塔錨固區(qū)分為邊、中塔肢，考慮到受力差異、節(jié)約造價和方便設(shè)計，按照索力大小將索塔錨固區(qū)分為兩段進(jìn)行環(huán)向預(yù)應(yīng)力的配置，按照經(jīng)驗初步配筋后，直接采用空間有限元法建立實體模型進(jìn)行應(yīng)力分析和設(shè)計優(yōu)化。

3 分析模型

3.1 模型的建立

以最大索力處索塔錨固區(qū)為例，為降低邊界條件的影響，根據(jù)圣維南原理，取塔冠以下4對斜拉索范圍的塔柱節(jié)段建立有限元模型，節(jié)段長度為10.5 m。有限元分析軟件采用MIDAS FEA 3.7.0，為利用軟件本身獨特的植入式鋼筋單元，塔柱和齒塊采用四節(jié)點四面體實體單元、自由網(wǎng)格劃分，錨固區(qū)混凝土網(wǎng)格適當(dāng)加密，其余部分網(wǎng)格劃分較粗；環(huán)向預(yù)應(yīng)力采用二節(jié)點植入式鋼筋單元模擬；為便于施加索力，建立了錨墊板單元。約束模型底部節(jié)點位移形成邊界條件?；炷良颁摻g線材料特性取值詳見規(guī)范[8]，邊、中塔肢索塔錨固區(qū)有限元模型見圖2。

圖2 索塔錨固區(qū)有限元模型(僅示1/4部分)

3.2 索力和預(yù)應(yīng)力

邊、中塔肢塔頂4對斜拉索的計算索力見表1。

表1 斜拉索索力(單位：kN)

環(huán)向預(yù)應(yīng)力采用植入式鋼筋單元模擬，設(shè)計張拉控制應(yīng)力為1395MPa，U形預(yù)應(yīng)力采用兩端張拉，短直束采用單端張拉。由于小半徑曲線束的預(yù)應(yīng)力損失目前尚無可靠的計算方法，設(shè)計階段也暫無實測數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[9,10]的試驗及分析結(jié)果，U形預(yù)應(yīng)力和短直束預(yù)應(yīng)力損失均按照30%計。

3.3 計算工況

由于先施工塔柱、張拉環(huán)向預(yù)應(yīng)力束，再張拉斜拉索，為考察索塔施工過程中的應(yīng)力狀態(tài)并評價其安全性，計算中分別考慮了施工階段張拉環(huán)向預(yù)應(yīng)力束和運營階段斜拉索索力與環(huán)向預(yù)應(yīng)力束共同作用兩種工況。

以下僅給出運營階段最大索力時的邊、中塔肢索塔錨固區(qū)計算結(jié)果。

4 計算結(jié)果

4.1 邊塔肢索塔錨固區(qū)

(1)正應(yīng)力。塔柱側(cè)壁正截面抗裂主要關(guān)注模型順橋向應(yīng)力，如圖3(a)所示，考慮邊界影響后，在最大索力作用下，邊塔肢塔柱側(cè)壁內(nèi)側(cè)的最小正應(yīng)力為-1.00 MPa，側(cè)壁外側(cè)的最小正應(yīng)力為-1.70 MPa，塔柱側(cè)壁處于受壓狀態(tài)。

塔柱前壁正截面抗裂主要關(guān)注模型橫橋向應(yīng)力，如圖3(b)所示，考慮邊界影響后，在最大索力作用下，塔柱前壁外側(cè)的最小正應(yīng)力為-2.57 MPa，前壁內(nèi)側(cè)的最小正應(yīng)力為-4.46 MPa，塔柱前壁處于受壓狀態(tài)。

邊塔肢索塔錨固區(qū)正截面抗裂滿足設(shè)計要求。

圖3 邊塔肢索塔錨固區(qū)正應(yīng)力云圖

(2)主應(yīng)力。如圖4所示，邊塔肢索塔錨固區(qū)主拉應(yīng)力超過0.5倍C50混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值即1.325 MPa的區(qū)域主要集中在模型底部邊界、環(huán)向預(yù)應(yīng)力張拉端以及齒塊附近，其中前兩處是由于邊界約束而導(dǎo)致的應(yīng)力失真，而齒塊附近出現(xiàn)應(yīng)力集中主要是由于強(qiáng)大索力導(dǎo)致的齒根受拉效應(yīng)和錨后牽拉效應(yīng)，普遍出現(xiàn)但范圍較小，因此，邊塔肢索塔錨固區(qū)主拉應(yīng)力總體上滿足抗裂要求，但應(yīng)加強(qiáng)齒塊齒根和錨后塔壁的局部配筋，降低局部開裂的可能性或限制裂縫寬度。

圖4 邊塔肢索塔錨固區(qū)主拉應(yīng)力云圖

4.2 中塔肢索塔錨固區(qū)

(1)正應(yīng)力。如圖5(a)所示，考慮邊界影響后，在最大索力作用下，中塔肢塔柱側(cè)壁內(nèi)側(cè)的最小正應(yīng)力為-0.99 MPa，側(cè)壁外側(cè)的最小正應(yīng)力為-2.46 MPa，塔柱側(cè)壁處于受壓狀態(tài)；如圖5(b)所示，塔柱前壁外側(cè)的最小正應(yīng)力為-0.63 MPa，前壁內(nèi)側(cè)的最小正應(yīng)力為-6.05 MPa，塔柱前壁基本處于受壓狀態(tài)，因此，中塔肢索塔錨固區(qū)正截面抗裂滿足要求。

圖5 中塔肢索塔錨固區(qū)正應(yīng)力云圖

(2)主應(yīng)力。如圖6所示，中塔肢索塔錨固區(qū)主拉應(yīng)力超過1.325MPa的分布區(qū)域與邊塔肢基本一致，數(shù)值上略大，因此，中塔肢索塔錨固區(qū)主拉應(yīng)力基本滿足抗裂要求，但需加強(qiáng)齒塊齒根和錨后塔壁的局部配筋。

圖6 中塔肢索塔錨固區(qū)主拉應(yīng)力云圖

5 結(jié)束語

如前所述，索塔錨固區(qū)受力復(fù)雜，環(huán)向預(yù)應(yīng)力設(shè)計目前主要還是利用空間有限元法，平面框架法和拉壓桿模型分析法目前通常作為初步配筋的輔助手段。

通過空間有限元法進(jìn)行局部分析，渦河特大橋索塔錨固區(qū)總體能夠達(dá)到部分預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的要求，環(huán)向預(yù)應(yīng)力設(shè)計基本合理。需注意，由于設(shè)計階段無實測數(shù)據(jù)，環(huán)向預(yù)應(yīng)力損失為估計值，待施工時獲得實測數(shù)據(jù)后需進(jìn)行驗證分析。