矮塔斜拉橋索梁錨固區(qū)應(yīng)力分析

摘要 矮塔斜拉橋索梁錨固區(qū)受力復(fù)雜，是橋梁設(shè)計(jì)安全的關(guān)鍵控制區(qū)域。文章依托（2×132 m）T構(gòu)矮塔斜拉橋，采用實(shí)體有限元方法分析了錨固塊、橫梁、主梁頂板的應(yīng)力狀態(tài)。結(jié)果表明：在橫梁設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力可有效降低橫隔板局部拉應(yīng)力、錨固塊與腹板之間橫向拉應(yīng)力;錨固塊與翼緣板交界處順橋向拉應(yīng)力偏大，加強(qiáng)此處順橋型普通鋼筋，可減小順橋向拉應(yīng)力、裂縫。

關(guān)鍵詞 矮塔斜拉橋;索梁錨固區(qū);有限元方法

中圖分類號 U448.27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）09-0139-04

引言

矮塔斜拉橋是采用斜拉索進(jìn)行體外加勁的混凝土梁橋，具有塔矮、梁剛、索集中的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[1-3]。拉索索梁錨固區(qū)承受著巨大的索力，極易出現(xiàn)較大拉應(yīng)力和局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。錨固區(qū)域的縱橋向應(yīng)力呈梯度分布，靠近施力區(qū)時(shí)增大，較遠(yuǎn)的位置則減小。錨固結(jié)構(gòu)在縱橋向的水平面有剪力和彎曲應(yīng)力出現(xiàn)，有平衡縱橋向力的作用。同時(shí)，水平面內(nèi)的剪力和彎矩對錨固結(jié)構(gòu)造成變形，引起橫橋向的應(yīng)力，結(jié)構(gòu)處于復(fù)雜的空間受力狀態(tài)[4]。索梁錨固區(qū)是橋梁設(shè)計(jì)安全的關(guān)鍵控制區(qū)域[5]。

為改善結(jié)構(gòu)受力狀況，該區(qū)域常布置一定數(shù)量的預(yù)應(yīng)力鋼筋，使其受力情況極為復(fù)雜[6]。鐵路矮塔斜拉橋相較于公路矮塔斜拉橋有著活載占總荷載比例大、活載集度大等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)對承受索力的索梁錨固區(qū)提出更高的安全要求。

為詳細(xì)掌握索梁錨固區(qū)的錨固塊、橫梁、主梁頂板受力情況，有必要對索梁錨固區(qū)進(jìn)行三維仿真分析，該文對（2×132 m）T構(gòu)矮塔斜拉橋作詳細(xì)分析，為同類橋梁索梁錨固區(qū)提供參考。

1 工程概述

某雙線、350 km/h高速鐵路的（2×132 m）T構(gòu)矮塔斜拉橋，主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土變高梁，梁高7.0～13.0 m，采用C55混凝土，總體布置圖如圖1。全橋共設(shè)置18組斜拉索，拉索采用高強(qiáng)低松弛鍍鋅鋼絞線，抗拉強(qiáng)度1 860 MPa，直徑15.2 mm，梁上順橋向錨點(diǎn)間距8.0 m，塔上豎向錨點(diǎn)間距1.5 m，拉索型號為15.2-73、15.2-61，采用冷鑄錨張拉。斜拉索錨固于箱型主梁翼板下方的楔形錨固塊上，同時(shí)在錨固塊處設(shè)置箱內(nèi)橫隔板，橫隔板設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力，橫向預(yù)應(yīng)力布置如圖2。由于該橋跨度大，索數(shù)少，單根最大索力達(dá)到7 964 kN，索力如表1。

2 有限元模擬

該文分析的計(jì)算工況：拉索初張工況（工況1）、成橋恒載工況（工況2）、主+附最不利荷載工況（工況3）。分析項(xiàng)目：錨固塊局部主應(yīng)力、錨固區(qū)橫向拉應(yīng)力、錨固區(qū)箱體應(yīng)力狀態(tài)。

選取了最靠近主塔且單束索力最小的A1索梁錨固區(qū)、中點(diǎn)處的A5索梁錨固區(qū)、最遠(yuǎn)離主塔且單束索力最大的A9拉索對應(yīng)的索梁錨固區(qū)，建立索梁錨固塊和鄰近的2段主梁的實(shí)體模型。模型分為鋼筋混凝土箱體、鋼筋混凝土橫隔板、鋼筋混凝土錨固塊、鋼制錨墊板及預(yù)應(yīng)力鋼束5部分。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，A9拉索索梁錨固區(qū)受力最控制，故下文僅闡述A9索梁錨固區(qū)結(jié)果，A9索梁錨固區(qū)構(gòu)造如圖3、圖4。

預(yù)應(yīng)力鋼束采用力筋法模擬，使用桿單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼束，并通過節(jié)點(diǎn)耦合的方式與混凝土體剛性連接，而除預(yù)應(yīng)力鋼束的其他部分采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬[7]。由于力筋法模擬預(yù)應(yīng)力鋼束會造成預(yù)應(yīng)力鋼束周邊混凝土單元的應(yīng)力過大，該橋結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力均采用后張法施工，故由力筋所導(dǎo)致的應(yīng)力過大不存在實(shí)際意義，在分析中對涉及預(yù)應(yīng)力鋼束的部件不以此最大應(yīng)力為判定條件。

模型邊界條件分為兩類，在進(jìn)行索梁錨固區(qū)局部應(yīng)力及錨固塊局部應(yīng)力分析時(shí)，選擇箱體靠近主塔的一面并約束其所有自由度，形成懸臂結(jié)構(gòu);在計(jì)算錨固塊處橫向聯(lián)系的局部應(yīng)力時(shí)，為盡可能模擬橫隔板與錨固塊在橫橋向受彎時(shí)的受力狀況，選擇箱體靠近主塔的一面并約束其順橋向位移，同時(shí)約束箱體兩側(cè)底板下緣線的豎橋向、橫橋向位移。

預(yù)應(yīng)力采用等效溫度法施加，通過在錨墊板與螺母的接觸面上施加等效法向面荷載實(shí)現(xiàn)索力施加。為盡可能模擬局部節(jié)段的實(shí)際受力情況，箱體自由端一側(cè)建立一參考點(diǎn)，并將其與箱體自由端表面形成剛性域，通過對參考點(diǎn)施加軸力與彎矩的方式，將軸力與彎矩均勻的施加至箱體自由端表面。模型中自重荷載通過施加慣性加速度實(shí)現(xiàn)，重力加速度g=9.806 m/s2，其他二期恒載及活載均作為面荷載或線荷載施加于箱梁頂板相應(yīng)位置。

3 計(jì)算分析

3.1 錨固塊局部主應(yīng)力

由圖5可知，在最不利工況中，錨固塊最大主壓應(yīng)力達(dá)到了96.3 MPa，超過了C55混凝土容許壓應(yīng)力，但超限主壓應(yīng)力僅出現(xiàn)在空腔邊緣極小范圍，屬于有限元分析中的應(yīng)力集中現(xiàn)象，不存在實(shí)際意義，不以此局部最大主壓應(yīng)力作為受力安全的判定條件。除空腔邊緣外，錨固塊其他部位主壓應(yīng)力均小于19.1 MPa，均小于C55混凝土容許壓應(yīng)力，處于安全范圍以內(nèi)。

3.2 錨固區(qū)橫向拉應(yīng)力

由圖6～圖9可知，除預(yù)應(yīng)力鋼束錨固區(qū)，所有工況下，錨固塊在橫橋向處于全截面受壓狀態(tài)，無論最大主應(yīng)力或最大橫橋向應(yīng)力均無拉應(yīng)力出現(xiàn)。橫隔板的最大主拉應(yīng)力為2.24 MPa，最大橫橋向拉應(yīng)力為1.44 MPa。以不允許結(jié)構(gòu)開裂為控制目標(biāo)，錨固塊與橫隔板的最大拉應(yīng)力均小于C55混凝土的容許拉應(yīng)力0.7fct=2.31 MPa[8]，可以判定結(jié)構(gòu)橫向應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。在自重、索力與橫向預(yù)應(yīng)力作用下計(jì)算其頂板應(yīng)力，橫隔板處頂板尚保持受壓狀態(tài)，不存在開裂風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 錨固區(qū)箱體應(yīng)力狀態(tài)

對于箱型梁，分別計(jì)算三種工況下的應(yīng)力狀態(tài)，其中拉索初張工況分別考慮是否張拉橫向預(yù)應(yīng)力兩種狀態(tài)，主+附工況分別考慮軸力最大、彎矩最大、軸力最小、彎矩最小4種情況，由于篇幅所限，僅列出最不利結(jié)果如圖10。

由圖10可知，通過先張拉橫向預(yù)應(yīng)力鋼束后張拉斜拉索的方式，錨固塊與腹板交界處的拉應(yīng)力得到了緩解，但在拉索初張工況下，錨固塊與翼緣板交界處拉應(yīng)力超過了C55混凝土的容許拉應(yīng)力0.7fct=2.31 MPa，其中最大拉應(yīng)力達(dá)到了5.32 MPa。在翼緣板與錨固塊交界處額外增設(shè)縱向鋼筋且保證足夠的錨固長度，可進(jìn)一步降低局部拉應(yīng)力、裂縫寬度。通過裂縫寬度驗(yàn)算之后發(fā)現(xiàn)，在翼緣板下緣設(shè)置直徑為22 mm、間距為125 mm的縱向HRB400鋼筋情況下，該處最大裂縫寬度為0.176 mm，小于0.2 mm的規(guī)范允許值，符合安全性需求。在主+附工況下，結(jié)構(gòu)基本保持全截面受壓狀態(tài)，結(jié)構(gòu)局部拉應(yīng)力不超過0.30 MPa，符合結(jié)構(gòu)安全性需求。

4 結(jié)語

該文通過對某高速鐵路（2×132 m）T構(gòu)矮塔斜拉橋索梁錨固區(qū)作實(shí)體有限元分析獲得以下結(jié)論：

（1）索梁錨固區(qū)受力復(fù)雜，采用實(shí)體有限元方法分析錨固塊、橫梁、主梁頂板的應(yīng)力狀態(tài)是非常有必要的，分析結(jié)果可用于校核設(shè)計(jì)安全性并指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（2）在橫梁設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力可有效降低橫隔板局部拉應(yīng)力，降低錨固塊與腹板橫向拉應(yīng)力。鐵路矮塔斜拉橋的拉索索力普遍偏大，錨固塊與翼緣板交界處拉應(yīng)力偏大，可采用加強(qiáng)此處順橋型普通鋼筋的方式減小順橋向拉應(yīng)力、裂縫。

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收稿日期：2022-03-16

作者簡介：雷敏（1983—），男，工學(xué)碩士，高級工程師，研究方向：大跨度橋梁。