混凝土斜拉橋塔錨固區受力分析

張玉杰 徐巧玲

(1.浙江省交通規劃設計研究院，浙江杭州 310006;2.杭州市城東新城建設投資有限公司，浙江杭州 310000)

1 概述

斜拉橋是跨越能力較強的一種橋型，可達千米。由于剛度大、環境適應性強等優點，斜拉橋一般在300 m～1 000 m范圍內取代拱橋和懸索橋成為首選橋型。斜拉橋根據體系構成和材料種類分為:塔墩固結、塔梁分離、塔梁固結、剛構體系、混凝土結構和鋼結構。一般大跨徑斜拉橋中多采用塔梁分離和鋼結構，而小跨徑斜拉橋中多采用混凝土結構。

在斜拉橋設計中，由于橋塔拉索錨固區受力較集中和情況復雜，往往成為設計的重點。尤其是混凝土橋塔，其復雜的應力情況很可能導致橋塔在施工或運營當中發生開裂。這不僅影響了結構的使用壽命，還影響到結構的安全性［1-5］。為了使設計人員能更合理的設計橋塔錨固區，清晰的了解錨固區受力情況是必要的。本文以溫州市某混凝土斜拉橋為背景，采用大型通用有限元軟件ANSYS建立橋塔錨固區實體模型，對橋塔拉索錨固進行受力分析，研究其應力分布情況和特點，便于設計人員的合理設計。

2 工程背景

圖1 斜拉橋立面圖

溫州市某斜拉橋為雙塔雙索面混凝土(塔、梁)結構，塔墩固結，跨徑布局為135+316+135(m)，邊中跨比0.427，邊跨不設輔助墩，如圖1所示。

該橋主梁采用預應力混凝土肋板式結構，主肋高度2.8 m，寬2 m，主塔根部處由于受力需要加厚至3.5 m，橋面板為受力單向板，厚0.3 m。主塔采用花瓶型，上塔柱直線段結構高28.79 m，中塔柱直線段50.03 m，其間的曲線段高23.28 m，塔墩高33.9 m，共136 m。主塔縱向7 m，主墩縱向7 m～8.5 m，橫向塔頂全寬13 m，塔墩固結處全寬43 m，墩底全寬26 m。主塔塔柱截面均為箱形截面，縱向寬度為7 m，壁厚1.2 m，橫向寬度為3.5 m，壁厚0.7 m ～1 m。

圖2 橋塔與加勁梁

斜拉索采用扇形空間雙索面布置，每塔每索面共22對斜拉索，共176 根。塔上索距分別為1.3 m，1.6 m，1.8 m，梁上索距除邊跨壓重區為2.8 m外，其余均為6.6 m。斜拉索采用高強度低松弛平行鋼絲索，索體采用雙層HDPE防護的全防腐索體，抗拉強度標準值為fpk=1 670 MPa。拉索錨具采用冷鑄鐓頭錨錨固體系，均在主塔端張拉(見圖2)。

3 模型建立

為研究拉索力作用下，橋塔拉索錨固區受力情況，采用大型通用有限元軟件ANSYS建立實體模型進行分析。模型截取單側塔柱塔頂以下4個錨固區段為研究對象，為簡化分析，只建立1/4軸對稱模型。模型考慮預應力作用，預應力鋼筋采用桿單元初應變法模擬，張拉控制應力為837 MPa。錨固區作用索力選取靜力作用下的最大索力，轉換為等效面荷載作用在相應錨塊面上。有限元模型圖和橋塔材料參數分別見圖3和表1。

圖3 橋塔模型圖

表1 橋塔材料參數

圖4 主塔截面剖面位置

4 計算結果分析

圖4是橋塔橫截面3個剖面位置，圖5a)～圖5f)分別是相對應位置的主拉和主壓應力云圖。

由圖5a)，5b)可以看出，錨塊附近有很嚴重的應力集中現象，越靠近拉索管道，應力值越大，并且錨塊橋梁連接處角隅位置還出現了拉應力。由圖5c)，5d)則可觀察到，錨塊內部較大壓應力主要集中在拉索管道與錨塊咬合部位，但該部分基本沒有拉應力出現。而從圖5e)，5f)可以看出，應力由塔壁兩側到塔中線逐漸增大，并在塔中線位置出現了很大的壓應力集中現象。另外，還可以從圖5看出，橋塔錨固區應力集中現象在接近塔頂位置較為嚴重，并且應力值較大。隨錨固區節段的下移，應力集中現象逐漸減輕，數值減小。其原因可能在于塔頂位置的索力較大，傾角較小。

5 結語

本文以溫州某混凝土斜拉橋為背景，分析了橋塔錨固區受力情況。

圖5 各剖面位置應力狀況

分析結果表明:

1)錨塊附近有應力集中現象，錨塊與橋塔連接處角隅位置可能出現拉應力;

2)拉索管道與錨塊咬合處有較大集中的壓應力;

3)橋塔縱橋向面中線附近有較大集中的壓應力存在;

4)應力集中現象和數值在塔頂位置較為嚴重，隨錨固節段的下移，應力集中現象和數值逐漸減輕。

設計師在進行橋塔錨固區設計時，應注意以上幾處應力集中位置，加強鋼筋配置。

［1］劉 路.斜拉橋索塔錨固區節段受力特性研究［D］.重慶：重慶交通大學，2009.

［2］葉蘭洲.斜拉橋索塔錨固區受力性能研究［D］.西安：長安大學，2012.

［3］白光亮.大跨度斜拉橋索塔錨固區結構行為與模型試驗研究［D］.成都：西南交通大學，2009.

［4］嚴少波，裴丙志.斜拉橋索塔拉索錨固區空間應力分析模型［J］.國外公路，2001，20(3)：22-24.

［5］高 寶，馬越峰，史方華，等.之江大橋主橋空間有限元受力分析［J］.公路，2003(8)：79-83.