混凝土自錨式懸索橋主纜錨固區應力分析

文清良 ，廖東陽

（1.同濟大學，上海 200092；2.上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司，上海 200092）

0 引言

混凝土自錨式懸索橋因其造型美觀，后期維護費用較低，不局限于地基差、錨錠修建困難的地區，近年在國內取得快速發展。其主纜錨固區是將主纜索力安全傳遞到主梁的重要部位，為平衡強大的索力，通常需要在錨固區布置預應力束，為使錨固區的受力更加合理，還必須優化其結構尺寸和預應力的布置形式、數量，這使得錨固區的受力更加復雜。為準確了解錨固區的應力分布狀況，必須對其進行精細的有限元仿真分析。本文以張家港鎮山大橋主橋工程為例，利用有限元程序對其主纜錨固區進行空間分析，總結了此類橋梁主纜錨固區的受力特點，為此類橋梁的設計者提供參考。

1 工程概況

鎮山大橋位于張家港濱江新城，跨越張家港河，道路等級為城市主干路，機動車道為雙向6車道，兩側各有3 m寬的人行道和3.5 m寬的非機動車道，橋面總寬44 m。主橋是一座雙塔混凝土自錨式懸索橋，主跨120 m，邊跨50 m，全長220 m（見圖1）。主梁為三跨預應力混凝土連續邊箱結構，梁高2.28 m，左右邊箱通過T形梁連接，橋面板厚0.28 m；主纜中心距28.5 m，吊索沿順橋向間距4.9 m；索塔為H形鋼筋混凝土構件，塔柱為實心矩形截面；基礎為樁基礎。主纜錨固于主梁兩端，錨固構造如圖2所示。

2 錨固區的計算模型和邊界條件

圖1 主橋結構布置圖

圖2 主纜錨固區構造圖

主纜錨固區局部應力分析采用有限元程序midas FEA計算，為避免邊界效應的影響，計算模型所取范圍較大，其縱向取從主梁端部到向主跨方向的第五根吊桿位置（約37.7 m），其橫向取橋寬的一半（另一半對稱），豎向按梁的實際高度情況變化，計算模型的尺寸與橋梁實際尺寸相同。總體坐標系x方向為橋梁縱向，y方向為橫向，z方向為豎向。計算模型見圖3所示。

圖3 主纜錨固區計算模型

主纜、吊桿的錨固點作為均布壓力加載在與錨墊板面積一致的混凝土表面（索力和吊桿力取最大值作為計算值），散索鞍的壓力均布加載在鞍座底部，橫梁作為均布剪力加載在橫梁與主梁的混凝土接觸面，橋面系荷載均布加載在橋面，分析中考慮了扣除損失后的預應力效應（預應力布置見圖4），未考慮普通鋼筋對結構的影響。計算中將整個結構視為勻質彈性體，混凝土彈性模量取34500 MPa，泊松比取 0.2，容重取 26 kN/m3，預應力筋彈性模量取1.95 GPa，泊松比取0.3，容重取78.5 kN/m3。

圖4 主纜錨固區三向預應力布置圖示

混凝土采用實體單元，預應力筋采用鋼筋單元，均有x、y、z三個方向的自由度。縱向主梁的遠端約束縱向、豎向的平動位于和繞三個方向的轉角位移，端橫梁遠端為對稱約束，邊墩支座處約束豎向位移。

3 錨固區混凝土的應力結果

由于在邊界條件的附近，實體模型計算結果容易失真，而模型的中間主纜錨固區部分較能真實地反應結構的受力情況，因此，計算結果僅取模型的中間主纜錨固區范圍的計算結果作為應力分析值。

圖5為主纜錨固區縱向應力分布圖。從圖5可以看出，由于主纜和縱向預應力的作用，錨固區混凝土縱向以受壓為主，在預應力未布置到的地方，混凝土存在較小的拉應力，這些地方需要依靠普通鋼筋防止混凝土開裂。

圖5 主纜錨固區縱向應力分布圖

圖6為主纜錨固區橫橋向應力分布圖。從圖6可以看出，由于橫向預應力的作用，錨固區混凝土橫向以受壓為主，錨固區下方的一個預應力粗鋼筋錨固點附近，產生了較大的拉應力，設計需要對此加強普通鋼筋布置。

圖6 主纜錨固區橫橋向應力分布圖

圖7為主纜錨固區豎向應力分布圖。從圖7可以看出，由于主纜和豎向預應力的作用，錨固區混凝土豎向以受壓為主，拉應力均出現在豎向預應力筋未布置到的地方，這些地方需要依靠普通鋼筋防止混凝土開裂。在錨固區底部的支座部位（該處設有邊界條件），有一較大的集中壓應力，設計中，該處應注意設置支座墊板和加強鋼筋網片。

圖7 主纜錨固區豎向應力分布圖

4 結語

通過對鎮山大橋主纜錨固區的三維有限元實體模型的分析可以看出，混凝土錨固區的截面設計和預應力布置是合理的，能夠較好地抵抗錨固區所承受的復雜外力作用。在預應力筋的錨固點和支座附近，應力集中現象較為明顯，應該在這些部位采取鋼墊板、加強普通鋼筋布置等措施，以防止混凝土開裂和影響結構的耐久性，確保結構安全。

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