大跨度斜拉橋索塔及錨固區(qū)受力分析

李建民

(湖南辰溪縣公路建設(shè)養(yǎng)護(hù)中心，湖南 懷化 419500)

0 引 言

斜拉橋索塔錨固區(qū)是將拉索的局部集中力安全、均勻地傳遞到塔柱全截面的主要構(gòu)造。由于索塔鋼錨箱錨固方式構(gòu)造復(fù)雜、傳力路徑多、應(yīng)力分布不均勻、破壞機(jī)理復(fù)雜，空間受力效應(yīng)明顯，設(shè)計(jì)時(shí)一般只能采用有限元數(shù)值分析結(jié)合模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了相關(guān)研究，熊華濤[1]對斜拉橋鋼錨箱受力性能進(jìn)行了詳盡分析，并通過遺傳算法對板件尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，降低了鋼錨箱的應(yīng)力水平；魏順波，潘凡[2]等人基于圣維南原理，開展了武漢九龍大橋局部受力研究，明確了各板件的局部受力特征；逯文茹，趙敏[3]等人分別考慮了單節(jié)段和多節(jié)段索力作用下錨固結(jié)構(gòu)的受力特征及索力分配機(jī)制；呂文舒、陳星燁、張祖軍[4]等人研究了斜拉橋鋼錨箱局部力學(xué)效應(yīng)并給出了板件尺寸的優(yōu)化方案；眾多學(xué)者已經(jīng)對鋼錨箱的力學(xué)性能、疲勞效應(yīng)、構(gòu)件構(gòu)造等進(jìn)行了詳盡研究，取得了較為豐富的研究成果。但由于鋼錨箱結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性，仍存在一些問題有待進(jìn)一步研究。如：在有限元計(jì)算方面主要混凝土索塔鋼錨箱的計(jì)算方法基本采用平面框架簡化計(jì)算方法和節(jié)段局部空間有限元模型，沒有建立整個(gè)索塔和鋼錨箱空間實(shí)體有限元模型；缺少對鋼錨箱和混凝土塔壁兩者之間的連接件及不同連接件的受力分析等[5，6]?；诖?，以上海長江大橋?yàn)檠芯繉ο螅⑷魉?含錨固結(jié)構(gòu))空間有限元模型，探究索塔及錨固結(jié)構(gòu)的力學(xué)規(guī)律，為大跨度斜拉橋錨固結(jié)構(gòu)分析提供一種新的思路。

1 工程概況

上海長江大橋橋跨布置為(107+243+730+243+107)m，采用五跨連續(xù)全飄浮體系，空間雙索面布置。梁體采用分離式雙主梁，間距為10 m，截面形式為扁平鋼箱梁。主塔分為橋面以下的下塔柱、錨索區(qū)的上塔柱、其間的中塔柱三部分；主塔塔柱為鋼筋混凝土箱形斷面，下塔柱由兩個(gè)單箱單室漸變成一個(gè)單箱單室，塔根部單箱結(jié)構(gòu)外尺寸：12 m(順橋向)×14 m(橫橋向)；中塔柱及上塔柱為單箱單室斷面，結(jié)構(gòu)外尺寸：9 m×9 m～7.4 m×7.4 m(塔頂)，四角設(shè)1.2 m×1.2 m的倒角。斜拉索采用空間扇形雙索面布置形式，全橋共192根斜拉索。索塔錨固區(qū)節(jié)段總長56.55 m，共23個(gè)鋼錨箱節(jié)段，節(jié)段高2.3～3.2 m，節(jié)段1位于索塔錨固區(qū)的底部，節(jié)段23位于索塔錨固區(qū)的頂部。

2 有限元模型建立

有別于以往對索塔錨固區(qū)數(shù)值模擬時(shí)僅建立鋼錨箱局部模型的方法，擬建立含索塔—鋼錨箱—剪力釘一體的有限元模型，用以對索塔錨固區(qū)鋼錨箱板件及索塔混凝土進(jìn)行詳盡受力分析，同時(shí)也能盡可能減少外荷載、邊界之間的復(fù)雜轉(zhuǎn)化，有利于提高計(jì)算準(zhǔn)確性。使用ANSYS APDL建立索塔錨固區(qū)有限元模型，Solid45單元模擬索塔混凝土實(shí)體部分及錨固區(qū)鋼墊板，Shell63單元模擬錨固區(qū)鋼錨箱，為實(shí)現(xiàn)鋼錨箱上剪力釘與索塔混凝土部分的有效粘結(jié)，使用Targe170和Conta173單元模擬兩者接觸和摩擦，剪力釘使用COMBIN39彈簧單元模擬，各方向的剛度通過賦予彈簧單元的阻尼值模擬。索塔底部約束XYZ三個(gè)方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，索力施加以等效面荷載的形式模擬，索力值采用設(shè)計(jì)成橋索力。

3 受力分析結(jié)果

3.1 鋼錨箱

分別取短期效應(yīng)、長期效應(yīng)、標(biāo)準(zhǔn)組合效應(yīng)三種計(jì)算工況，圖1給出了鋼錨箱中跨端板、邊跨端板豎向應(yīng)力以及側(cè)板水平應(yīng)力結(jié)果，計(jì)算結(jié)果表明：在支承板下部端板受壓較大，在支承板上部端板局部受拉，在底部端板受壓最大，主跨端板最大壓應(yīng)力達(dá)240 MPa，邊跨端板最大壓應(yīng)力達(dá)150 MPa；鋼錨箱側(cè)板總體呈受拉趨勢，見圖1(c)，其中頂部21、22號節(jié)段受拉最大，側(cè)板與支承板相連位置存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，且隨著索塔高度增加，應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯。

圖1 鋼錨箱各板件在三種荷載下應(yīng)力分布(單位：kPa)

根據(jù)圖1計(jì)算結(jié)果，塔頂位置部分承壓板拉壓應(yīng)力均處于較高水平，取塔頂部分節(jié)段作為研究對象，分析在標(biāo)準(zhǔn)荷載組合下承壓板VON MISES應(yīng)力分布情況，見圖2。其中圖2(a)表示塔頂19#～22#節(jié)段主跨側(cè)承壓板VON MISES應(yīng)力分布，左側(cè)為承壓板上表面，右側(cè)為下表面；圖2(b)表示19#～22#節(jié)段邊跨側(cè)承壓板VON MISES應(yīng)力分布，左側(cè)為承壓板上表面，右側(cè)為下表面。分析結(jié)果表明：在與支承板交界處局部區(qū)域，受應(yīng)力集中的影響，承壓板VON MISES應(yīng)力已經(jīng)超過了315 MPa，在支承板和加勁板以外的承壓板的VON MISES應(yīng)力大部分在140 MPa以下，承壓板邊緣部分灰色區(qū)域表示VON MISES應(yīng)力都在50 MPa以下。

鋼錨箱板件眾多，傳力機(jī)理復(fù)雜，在巨大的索力作用下，往往存在多方向上的應(yīng)力分布，其中加勁板作為端板、承壓板等主要承力板件的連接構(gòu)造，其受力性能亦不能忽視。本文取應(yīng)力水平較高的塔頂20-23號4個(gè)節(jié)段加勁板作為研究對象，荷載工況取標(biāo)準(zhǔn)荷載組合，為4個(gè)節(jié)段主跨加勁板VON MISES應(yīng)力分布，為4個(gè)節(jié)段主跨加勁板VON MISES應(yīng)力分布。中跨加勁板和邊跨加勁板應(yīng)力分布規(guī)律基本類似，在靠近承壓板的連接位置存在明顯應(yīng)力集中，最高達(dá)到了250 MPa，索塔越高，應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯，其他區(qū)域應(yīng)力分布較為合理，大部分均在160 MPa以下。

圖2 塔頂4個(gè)節(jié)段承壓板上下表面VON MISES應(yīng)力分布(單位：kPa)

3.2 索塔混凝土

在進(jìn)行索塔錨固區(qū)受力分析時(shí)，不僅需要對鋼錨箱各板件進(jìn)行受力分析，混凝土索塔的受力也值得關(guān)注。取塔頂20#～23#共4個(gè)節(jié)段索塔作為研究對象，計(jì)算工況取標(biāo)準(zhǔn)荷載組合。給出了在各個(gè)方向上的主拉應(yīng)力分布，順橋向塔壁內(nèi)側(cè)大部分受拉，除應(yīng)力集中區(qū)域外，最大名義主拉應(yīng)力2.53 MPa，應(yīng)力集中區(qū)域則主要分布在塔壁拐角位置及中間凹槽位置；主跨及邊跨外塔壁外側(cè)區(qū)域基本處于全受拉狀態(tài)，凹槽處最大拉應(yīng)力達(dá)10 MPa，凹槽以外應(yīng)力集中現(xiàn)象迅速減輕，最大拉應(yīng)力降低至4 MPa以下。在塔壁拐角及凹槽位置應(yīng)加強(qiáng)配筋，避免應(yīng)力集中導(dǎo)致開裂。

3.3 穩(wěn)定性分析

考慮到塔底的鋼錨箱結(jié)構(gòu)承受了巨大的拉索豎向作用力，各板件的穩(wěn)定性問題不容忽視，取塔底1#～2#節(jié)段鋼錨箱為研究對象，計(jì)算其前5階模態(tài)，對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行評估。

表1 1#～2#節(jié)段鋼錨箱前5階屈曲系數(shù)

根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果可知，由于斜拉索豎向分力的集中作用，鋼錨箱前5階屈曲系數(shù)明顯偏低，鋼錨箱的主要承重板件均出現(xiàn)屈服，其中5階屈曲模態(tài)分別為：邊跨側(cè)側(cè)板屈曲、主跨側(cè)側(cè)板屈曲、1、2節(jié)段連接位置側(cè)板面外屈曲、1、2節(jié)段連接位置側(cè)板扭轉(zhuǎn)屈曲、1#、2#節(jié)段連接部主跨側(cè)側(cè)板面外屈曲。這是因?yàn)樗魉邢虏繀^(qū)域的斜拉索索力過大，豎向分力直接作用于鋼錨箱上，而鋼錨箱側(cè)板作為直接受力板件，更容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對側(cè)向板件做加強(qiáng)處理。

4 結(jié) 論

在進(jìn)行如索塔鋼錨箱結(jié)構(gòu)局部分析時(shí)，僅僅考慮鋼錨箱本身，會存在邊界條件、外荷載轉(zhuǎn)化復(fù)雜等問題，從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果誤差較大，應(yīng)力失真，而建立索塔—鋼錨箱一體的空間有限元模型則可以較好解決以上問題。

通過建立索塔—鋼錨箱一體化模型，分析了多種計(jì)算工況下鋼錨箱板件及索塔混凝土的力學(xué)性能，計(jì)算結(jié)果表明：塔頂區(qū)域鋼錨箱承壓板及連接板件應(yīng)力水平較高，且存在應(yīng)力集中現(xiàn)象；索塔混凝土塔壁順橋向內(nèi)側(cè)、橫橋向外側(cè)大部分區(qū)域受拉，索塔凹槽處有明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力達(dá)10 MPa。

從塔底鋼錨箱穩(wěn)定性分析結(jié)果可知，塔底鋼錨箱側(cè)板承受了較大豎向力，容易出現(xiàn)屈曲失穩(wěn)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以重視。