斜拉橋索塔錨固區在兩種預應力結構作用下的力學性能對比分析

孟遠遠

(新疆建筑設計研究院，新疆烏魯木齊830006)

斜拉橋的索塔錨固區是將拉索的局部集中力安全、均勻地傳遞到塔柱全截面的關鍵構造。索塔錨固區主要受斜拉索巨大的空間斜向索力、預應力筋的錨固力、孔洞削弱、楔形尺塊構造缺陷等因素的影響，使該區域處于復雜的空間三維應力狀態，受力狀態十分復雜，因此，斜拉橋索塔錨固區力學性能的探討一直以來備受關注[1]。

本文以主橋為(81+162+432+162+81)m的特大鋼桁梁斜拉橋為工程背景進行對比分析，該橋分上、下兩層橋面布置，橋塔總高181.9m。該橋是目前世界上單點錨固索力最大的斜拉橋。

1 有限元模型

1.1 預應力鋼束布置概況

為了使這兩種方案具有可比性，“U”形預應力結構采用12-15.2的鋼絞線、彎曲半徑為1.6m；“井”形預應力結構采用7-15.2的鋼絞線，彎曲半徑為4m。預應力鋼束均采用高強低松弛鋼絞線，其抗拉強度標準值為1 860MPa，張拉控制應力為1 116MPa[4]。這樣使兩種模型中的預應力鋼束數量基本相同，僅在預應力鋼束的布置形式上有較大差別。

1.2 模型的選取

通過斜拉橋整體靜力分析可知橋塔頂部斜拉索的索力最大且傾角最小，水平拉力最大，故取橋塔的最上端S14號塔段作為研究對象，分別建立該塔段在兩種預應力結構作用下的有限元模型。兩種預應力體系在S14塔段內的布置形式參見圖1。

考慮到圣維南原理(邊界效應對分析區域受力的影響)及楔形錨固齒塊之間的相互影響，又考慮到計算機計算時間等因素，從塔頂往下截取3.4m長的節段(僅包含S14塔段)。

1.3 建模

建模時混凝土采用SOLID45單元模擬，預應力鋼筋采用LINK8單元模擬，網格劃分時定義單元最大邊長不超過20cm。模型中兩種預應力結構的空間有限元模型參見圖2。

(a)“U”形預應力結構

(b)彎曲“井”形預應力結構

模型按實際情況考慮了孔洞削弱、楔形尺塊構造缺陷等因素的影響，并對模型施加了斜向索力、預應力筋的錨固力，盡可能的模擬了橋塔的真實受力情況。

1.4 模型的邊界條件

1.4.1 位移邊界條件

模型上端面不約束；模型全部底面節點約束豎向變形，底面長邊中線約束順橋向變形，底面短邊中線約束橫橋向變形。

圖2 有限元模型

1.4.2 力邊界條件

重力的模擬：采用施加加速度的方式模擬結構重力。

預應力作用的模擬：預應力鋼束采用Link8單元模擬，預應力采用單元降溫的方式施加。

預應力鋼束與混凝土相互作用的模擬：采用耦合法，將預應力鋼束與其最近的節點耦合起來模擬混凝土與預應力鋼束的共同作用。

斜拉索索力的模擬：斜拉索索力按最不利工況組合值取用(索力大小見表2)，將最不利工況下得到的索力以等效表面壓力施加在錨墊板上，施加面積為模型中錨墊板的面積，作用方向垂直于錨墊板。

1.5 荷載工況及計算中用到的參數

計算了常遇工況一：重力+預應力+運營索力(表1、表2)。

表1 計算參數[4]

表2 塔段S14索力

2 計算結果

在設計預應力混凝土橋塔時水平方向的拉應力為設計時的主要控制因素，因此這里主要觀察水平方向的應力情況。

通過截面應力云圖對比分析兩種結構作用下索塔錨固區的力學性能，截面應力云圖的位置參見圖3。

圖3 截面位置示意

工況一作用下1、2截面應力分布云圖見圖4、圖5。

3 結論

通過以上計算結果可知彎曲“井”形預應力結構與以往索塔錨固區中常用的“U”形預應力結構相比，彎曲“井”形預應力結構具有以下特點。 度削弱大小影響更大，圓形孔開孔面積比六邊形開孔面積大，對蜂窩梁腹板剛度造成的削弱就更大，因此六邊形孔蜂窩梁臨界彎矩值大于圓形孔蜂窩梁臨界彎矩值；當s/h>0.5時，蜂窩梁整體穩定性受腹板連續性影響更大，腹板開設六邊形孔洞時的連續性要比開設圓形孔時的連續性要差，因此對蜂窩梁的整體穩定性影響更大；當s/h趨近于0.7時，腹板開設孔洞時對梁的剛度削弱并不明顯，也就是開設孔洞對梁的整體穩定性影響不大，在一定程度上可以忽略不計。因此，在蜂窩梁開設洞口時，當s/h<0.5時，開設六邊形孔更為有利，蜂窩梁整體穩定性主要受腹板剛度影響，當0.50.7，開設六邊形孔和圓形孔基本相同，蜂窩梁整體穩定性受腹板開設洞口影響很小。

圖4 1-1剖面順橋向正應力

3 結論

綜上所述，得到以下結論。

(1)蜂窩梁的彎扭屈曲失穩形態與實腹式梁彎扭屈曲失穩形態基本吻合，在蜂窩梁整體穩定性分析中可以借鑒實腹式梁整體穩定性分析方法進行分析，在實際蜂窩梁的設計工程中，可以在實腹式梁的基礎上進行一定的修正來得到蜂窩梁的整體穩定性計算。

(2)六邊形孔及圓形孔蜂窩梁臨界彎矩值基本相近，開設孔洞形狀并不明顯改變蜂窩梁的整體穩定性，從某種意義上說蜂窩梁整體穩定性受腹板開孔形狀的影響不大，蜂窩梁的開孔主要是受使用功能、美觀等因素的影響；在蜂窩梁的整體穩定性分析可以借鑒任意一種形狀孔洞的蜂窩梁進行分析，在實際設計工程中，對于蜂窩梁的整體穩定性設計時，都可以借鑒同一個穩定性設計方法進行設計，在設計時，開孔形狀主要滿足功能和美觀的要求。

(3)當s/h<0.5時，蜂窩梁整體穩定性主要受腹板剛度影響，開設六邊形孔更為有利，當0.50.7，蜂窩梁整體穩定性受腹板開設洞口影響很小，開設六邊形孔和圓形孔基本相同。

[1] 楊壇.基于ANSYS圓孔蜂窩鋼梁承載力研究[D].廣西大學，2007

[2] 周緒紅，鄭宏.鋼筋鉤穩定[M].北京：中國建筑工業出版社，2004