斜拉橋索梁錨固區(qū)應(yīng)力分析

黃思友，侯 兵，陳 杰，李 樂，冉光成

（中國中鐵二局集團第四工程有限公司，四川 成都 610300）

0 引言

斜拉橋拉索的拉力作用于主梁錨固點，索梁錨固區(qū)的構(gòu)造較為復(fù)雜，受力相對集中，是控制設(shè)計的關(guān)鍵部位[1-2]。因此，掌握錨固區(qū)域的應(yīng)力分布情況十分重要。

國內(nèi)外學(xué)者采用不同的方法對其進行了研究。華波等[3]研究了組合式錨拉板索梁錨固區(qū)構(gòu)件受力和抗疲勞性能。陳彥江等[4]基于模型試驗數(shù)據(jù)采用ABAQUS 有限元分析軟件，研究了錨拉板式索梁錨固區(qū)在設(shè)計荷載作用下的受力情況和傳力機制。梅應(yīng)華等[5]分析了摩擦對錨拉板與混凝土主梁的受力影響。袁瑞等[6]以實際工程為背景，對最大索力處的主梁進行了分析，發(fā)現(xiàn)主梁的應(yīng)力過大，提出了錨固區(qū)主梁改進方法。陸春陽等[7]依托上海長江大橋，采用數(shù)值分析的方法探討了板件應(yīng)力集中的改進方法。熊華濤[8]對斜拉橋索梁錨固區(qū)的受力機理進行了分析，發(fā)現(xiàn)了容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位，通過自適應(yīng)變量的遺傳算法進行了優(yōu)化。

矮塔斜拉橋索梁錨固區(qū)局部應(yīng)力的影響因素很多。在當(dāng)前的數(shù)值分析研究中，一些細(xì)節(jié)的處理尚需進一步完善。例如，模型邊界條件應(yīng)該如何簡化，才能正確地反映索梁錨固區(qū)的受力。且目前的研究中主要是采用數(shù)值分析，缺少實測數(shù)據(jù)的驗證，其計算結(jié)果的準(zhǔn)確性有待探究。因此，本文在大量實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上驗證計算分析模型，確定邊界約束條件，探究不同參數(shù)對索梁區(qū)混凝土受力的影響。

1 工程概況

博羅東江特大橋主橋采用（90.8+180+90.8）m，橋面以上塔高29.9 m。每個塔上共設(shè)計7 根斜拉索，單個橋墩上邊跨位置A1～A17 共17 個懸臂澆筑段，中跨位置B1～B18 共18 個懸臂澆筑段，如圖1 所示。其中，A5 塊上對應(yīng)安裝有1# 斜拉索，之后每隔1 個懸臂澆筑塊段，安裝1 根斜拉索，7# 斜拉索對應(yīng)A17 塊懸臂澆筑段。為分析索梁錨固區(qū)施工過程中的受力特性，主要選取A5 塊進行分析。

圖1 整體布置圖（單位：cm）

2 現(xiàn)場試驗

2.1 傳感器布置

在A5 塊段塔澆筑混凝土前，將事先準(zhǔn)備好的應(yīng)力傳感器布置在索梁的相應(yīng)位置，以便索梁澆筑完成后監(jiān)測索梁內(nèi)部在接下來的施工階段和成橋階段的應(yīng)力變化。具體傳感器布置如圖2 所示。

圖2 傳感器布置圖模型

2.2 測試結(jié)果

對施工全過程進行監(jiān)測，依據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)明確索梁錨固區(qū)混凝土的實際受力狀態(tài)和不同施工階段塔索梁錨固區(qū)混凝土應(yīng)力的變化規(guī)律，為此類橋梁的后續(xù)施工提供技術(shù)支撐。1#和3#測點沿拉索方向，2# 和4# 測點為豎向傳感器，5#～8# 測點均為橫向傳感器。具體應(yīng)力變化見表1。

表1 索梁錨固區(qū)測點應(yīng)力

在整個施工過程中，A5 塊主梁索梁錨固區(qū)不同測點的應(yīng)力在1 號索張拉后7 號塊澆筑后應(yīng)力變化較大，之后趨于穩(wěn)定，且最大壓應(yīng)力僅為6.4 MPa，遠(yuǎn)小于容許壓應(yīng)力。施工過程中，錨固區(qū)翼緣板上部位置出現(xiàn)了拉應(yīng)力，最大為1.0 MPa，未超出容許拉應(yīng)力。在橋面鋪裝后，壓應(yīng)力會增大，最大達(dá)到了7.8 MPa，拉應(yīng)力變成壓應(yīng)力。因此，建議以后同類橋梁施工過程中在錨固區(qū)翼緣板上部增加橫向拉筋。

3 有限元建模

3.1 錨固區(qū)局部模型

取其A5 塊對應(yīng)錨固區(qū)及附近的箱梁節(jié)段為研究對象，拉索傾斜角45.06°，錨塊長度為3 762 mm，起點位于A5 塊翼緣板下端遠(yuǎn)離中跨側(cè)114.8 mm處，寬1450 mm，其余部分均按照實際尺寸建立有限元模型，如圖3 所示。為有效模擬錨墊板與承壓板之間的作用，承壓板與錨墊板緊密貼在一起，即在錨墊板與承壓板之間建立接觸單元并進行耦合，預(yù)埋管道與混凝土之間采用固結(jié)的連結(jié)方式。采用整體法進行受力計算，對主梁縱向預(yù)應(yīng)力采用等效荷載法施加在A5 塊的端部。

圖3 索梁錨固處局部模型

現(xiàn)有的邊界條件均采用固結(jié)，與實際情況不符。在澆筑后續(xù)塊段時，已澆筑的所有塊段均會產(chǎn)生變形。取局部建立有限元分析模型時，若直接采用根部固結(jié)的方式而不考慮對應(yīng)的彈性變形，會使計算結(jié)果偏大，偏于保守，增加建設(shè)成本。因此，為了更準(zhǔn)確地計算索梁錨固區(qū)的受力分析，建議建立局部分析模型時，根部豎向邊界條件采用彈性支撐，其中剛度的計算可以依據(jù)Midas 中建立的梁單元模型計算。計算分析模型如圖4 所示。

3.2 模型驗證

對比分析固結(jié)邊界和彈性支撐邊界條件下兩種模型的計算結(jié)果，如圖5 所示。

圖5 中跨合龍后計算結(jié)果

由圖5（a）可知，固結(jié)時根部產(chǎn)生的應(yīng)力較大，且極易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，不好直觀地判斷出需要的計算結(jié)果。隨著距離根部位置的增大，影響逐漸減小。由圖5（b）可知，采用彈性連結(jié)時，計算結(jié)果與圖6 中的實測數(shù)據(jù)相一致。說明修正后的該計算分析模型可以有效計算索梁在不同施工階段的受力特征。

圖6 5# 測點對比分析結(jié)果

4 參數(shù)分析

4.1 收縮徐變

考慮混凝土的收縮徐變對索梁錨固區(qū)受力的影響，計算結(jié)果見表2。

表2 A5 塊主梁索梁錨固區(qū)測點應(yīng)力

由表2 可知，收縮徐變對錨固區(qū)混凝土應(yīng)力沿橫向變化較小，沿豎向隨著時間的變化會有所增大，但變化幅度不大，說明收縮徐變對索梁錨固區(qū)的混凝土的應(yīng)力影響較小。

4.2 整體溫度

一年四季，橋梁經(jīng)歷從冬季的低溫到夏季的高溫。因此，溫度的變化也是橋梁受力不可忽略的一個重要因素。采用上述計算分析模型對索梁錨固區(qū)進行整體升溫10℃和20℃、整體降溫10℃和20℃的受力分析。限于篇幅，僅給出1# 測點和5# 測點的數(shù)據(jù)。具體計算結(jié)果如圖7 所示，分析結(jié)果見表3和表4。

表3 整體溫度變化對索梁受力的影響（1# 測點）

圖7 整體溫度變化對索梁受力的影響

由圖7 可知，整體升溫和整體降溫對錨固區(qū)混凝土受力的影響基本呈線性變化，錨固區(qū)錨墊板下應(yīng)力最大。整體降溫時，混凝土的壓應(yīng)力增大，由外向內(nèi)影響逐漸減?。徽w升溫時，混凝土的壓應(yīng)力會減小，溫度的變化對錨固區(qū)混凝土縱向應(yīng)力和豎向應(yīng)力的影響較小，最大僅為20.4%。但是溫度的變化對翼緣板錨固區(qū)混凝土的應(yīng)力影響較大。從表3 和表4 中也可知，整體降溫20℃時，錨固區(qū)外側(cè)橫向出現(xiàn)拉應(yīng)力，橫向應(yīng)力發(fā)展規(guī)律從翼緣板向腹板方向拉應(yīng)力逐漸減小，對混凝土應(yīng)力的影響達(dá)到233%。因此，橋梁設(shè)計時應(yīng)考慮溫度變化對錨固區(qū)翼緣板混凝土應(yīng)力的影響。

4.3 梯度溫度

索梁錨固區(qū)在太陽照射的一面和未照射的一面會出現(xiàn)溫度差，兩側(cè)的溫度不同也會對其受力產(chǎn)生影響。因此，梯度溫度也是橋梁受力不可忽略的一個重要因素。采用上述計算分析模型對索梁錨固區(qū)進行溫差10℃和溫差20℃的三向應(yīng)力進行受力分析。本文對1# 測點的三向應(yīng)力進行了分析，具體計算結(jié)果如圖8～圖10 所示，分析結(jié)果見表5。

表5 梯度溫度變化對索梁受力的影響（1# 測點）

圖9 橫向計算分析結(jié)果（單位：kP a）

圖10 豎向計算分析結(jié)果（單位：kP a）

從表5 可以看出，梯度溫度對X 方向的混凝土應(yīng)力影響較大，受力最大的部位主要集中在錨固區(qū)錨墊板下的混凝土，當(dāng)溫差達(dá)到10℃時，相對于溫差為0℃時X 方向的混凝土應(yīng)力變化達(dá)到了232.3%；當(dāng)溫差達(dá)到20℃時，相對于溫差為0℃時X 方向的混凝土應(yīng)力變化達(dá)到了338.7%，且出現(xiàn)的是橫向拉應(yīng)力，應(yīng)力發(fā)展規(guī)律從翼緣板外側(cè)向腹板方向逐漸減小。因此，橋梁設(shè)計時應(yīng)充分考慮梯度溫度對索梁錨固區(qū)混凝土橫向應(yīng)力的影響。

5 結(jié)論

（1）在整個施工過程中，主梁索梁錨固區(qū)不同測點的應(yīng)力在拉索張拉和下一根拉索安裝前的應(yīng)力變化較大，之后趨于穩(wěn)定，且最大壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于容許壓應(yīng)力。翼緣板上部位置出現(xiàn)了拉應(yīng)力，建議設(shè)計中應(yīng)考慮在翼緣板上部增加橫向拉筋，確保結(jié)構(gòu)的安全。

（2）實測數(shù)據(jù)與理論計算的對比分析結(jié)果驗證了該計算分析模型的正確性和合理性，為精確計算索梁固結(jié)區(qū)混凝土的受力提供了技術(shù)支撐。

（3）收縮徐變對混凝土橫向應(yīng)力的影響較小，豎向應(yīng)力隨著時間的變化會有所增大，但變化幅度不大。

（4）整體升溫和整體降溫對翼緣板混凝土受力的影響基本呈線性變化。整體降溫時，混凝土的壓應(yīng)力增大，由翼緣板向腹板方向的影響逐漸減小。整體升溫時，混凝土的壓應(yīng)力會減小，溫度的變化對混凝土縱向應(yīng)力和豎向應(yīng)力的影響較小。但是溫度的變化對橫向混凝土的應(yīng)力影響較大，整體降溫20℃時，橫向出現(xiàn)拉應(yīng)力，從翼緣板向腹板方向拉應(yīng)力逐漸減小，對混凝土應(yīng)力的影響達(dá)到233%。因此，橋梁設(shè)計時應(yīng)考慮溫度變化對混凝土應(yīng)力的影響。

（5）梯度溫度對Y 方向和Z 方向的混凝土應(yīng)力影響較小，但是對X 方向的混凝土應(yīng)力影響較大。當(dāng)溫差達(dá)到10℃時，相對于溫差為0℃時X 方向的混凝土應(yīng)力變化達(dá)到了232.3%；當(dāng)溫差達(dá)到20℃時，相對于溫差為0℃時X 方向的混凝土應(yīng)力變化達(dá)到了338.7%，且出現(xiàn)的是橫向拉應(yīng)力，從翼緣板外側(cè)向腹板方向逐漸減小。因此，橋梁設(shè)計時應(yīng)充分考慮梯度溫度對索梁錨固區(qū)混凝土橫向應(yīng)力的影響。