環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋對斜拉橋索塔錨固區(qū)的受力影響分析

鄭津津

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350004)

1 引言

近幾十年， 斜拉橋由于其優(yōu)秀的跨越能力和優(yōu)美的造型而得到廣泛應(yīng)用， 本文以安海灣特大橋主橋索塔為例，在采用鋼牛腿-鋼錨梁組合錨固結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，同時在混凝土錨固區(qū)加設(shè)相應(yīng)的環(huán)形預(yù)應(yīng)力筋， 此舉為結(jié)構(gòu)提供了一定的安全儲備，但是相應(yīng)地提高了工程預(yù)算，而且塔內(nèi)環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋施工步驟繁瑣， 對施工進(jìn)度造成一定的影響。本文旨在通過對比分析，了解環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)置與否對索塔錨固區(qū)以及鋼牛腿-鋼錨梁組合錨固結(jié)構(gòu)的受力影響程度， 明確環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋對結(jié)構(gòu)安全儲備的提升情況， 為下一步平衡結(jié)構(gòu)的安全儲備和工程預(yù)算的關(guān)系提供理論基礎(chǔ)。

2 工程概況

安海灣特大橋主橋是平行雙索面疊合梁雙塔斜拉橋，跨徑組合為(135+300+135)m=570m，縱橋向的索面布置為扇形索。 主梁采用雙工字型鋼主梁與混凝土板共同受力的組合梁，兩者之間通過剪力釘實(shí)現(xiàn)共同受力。雙工字型鋼主梁高2.8m，橫向中心間距為34m，混凝土橋面板板厚均為28cm，主梁全寬40m；主橋索塔呈似H 形，采用C50 混凝土進(jìn)行澆筑，各橋塔上均布置有12 對斜拉索。

3 有限元計(jì)算模型

鋼錨梁-鋼牛腿組合錨固結(jié)構(gòu)是斜拉橋的主要受力構(gòu)件之一，承受拉索的絕大部分水平分力，對其進(jìn)行局部構(gòu)件分析具有重要的工程意義。 采用有限元分析軟件對鋼錨梁錨固區(qū)的受力特性進(jìn)行分析時， 若建立整個索塔和所有的鋼錨梁將會帶來巨大的計(jì)算量， 所以本文綜合考慮了分析模型的計(jì)算量與分析的準(zhǔn)確性， 并根據(jù)圣維南原理，選取索力最大的尾索B12 至B8 與B9 中間的節(jié)段進(jìn)行分析，且不考慮B12 以上的塔冠節(jié)段，避免了邊界條件對索塔錨固區(qū)段應(yīng)力分析造成的影響；而鋼錨梁-鋼牛腿組合錨固結(jié)構(gòu)則選取受力最大的B12 鋼錨梁作為研究對象。

3.1 基本信息

本文采用MIDAS/FEA 進(jìn)行建模，混凝土索塔、鋼橫梁和鋼牛腿均采用四面體實(shí)體單元進(jìn)行模擬， 為提高分析精度，劃分網(wǎng)格時，在關(guān)鍵相鄰部位都采用加密處理，同時建立相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力精扎螺紋鋼筋單元， 共建立了211196 個單元。 建立的索塔錨固區(qū)節(jié)段模型和B12 鋼錨梁模型如圖1 所示。

混凝土索塔本構(gòu)采用Mohr-Coulomb 模型，任意平面上的極限剪切應(yīng)力假設(shè)只與同一平面上的法向應(yīng)力相關(guān)，根據(jù)Mohr 的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)最大的Mohr 圓與Coulomb 的屈服面相切的瞬間，材料會進(jìn)入屈服，這意味著第二主應(yīng)力對屈服標(biāo)準(zhǔn)沒有影響。

鋼錨梁-鋼牛腿組合錨固結(jié)構(gòu)材料本構(gòu)采用von Mises 模型，該模型認(rèn)定剪切應(yīng)力達(dá)到純剪切的屈服應(yīng)力時材料進(jìn)入屈服狀態(tài)， 而屈服面在主應(yīng)力空間與靜水壓軸平行的圓柱體。 Midas FEA 的von Mises 模型支持對于屈服應(yīng)力的硬化行為， 硬化行為可以用多重線性函數(shù)來定義。

3.2 工況劃分分析

通過全橋模型的整體受力分析， 分析計(jì)算在施工階段最不利工況、成橋狀態(tài)、運(yùn)營階段基本組合工況以及單側(cè)受力工況下相應(yīng)的尾索拉力分別為4800kN、4793kN、7348kN 和9606kN， 考慮到文章篇幅的限制和深入研究的針對性， 本文僅對雙側(cè)受力較大的運(yùn)營階段基本組合和單側(cè)受力工況進(jìn)行分析研究。 運(yùn)營階段基本組合工況以及單側(cè)受力工況下相應(yīng)施加于螺母上的均布力具體如表1 所示。

圖1 有限元模型

表1 分析工況施加力表

4 索塔錨固區(qū)應(yīng)力分析對比

4.1 運(yùn)營階段受力分析

本文采用第一強(qiáng)度理論和第三強(qiáng)度理論對混凝土索塔進(jìn)行應(yīng)力分析，也就是考慮混凝土材料的主拉、主壓應(yīng)力以及切應(yīng)力。

有無預(yù)應(yīng)力索塔錨固區(qū)在運(yùn)營階段基本組合工況下的第一、三應(yīng)力分布對比情況如圖2～3 所示。 可以看出：兩種情況下的結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分布規(guī)律基本一致， 均在與內(nèi)嵌鋼板接觸位置的折點(diǎn)處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象， 但是與施加環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋狀態(tài)對比，在無預(yù)應(yīng)力筋狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)局部的最大主拉應(yīng)力增大至36.4MPa，增大了9.7%，而最大主壓應(yīng)力減小至63.7MPa，減小了30.8%。

圖2 索塔錨固區(qū)第一主應(yīng)力分布情況

圖3 索塔錨固區(qū)第三主應(yīng)力分布情況

4.2 單側(cè)受力工況分析

單側(cè)受力工況下， 索塔錨固區(qū)在有無預(yù)應(yīng)力筋狀態(tài)下的第一、 三應(yīng)力分布情況對比如圖4～5 所示。 可以看出：二者的應(yīng)力分布規(guī)律一致，應(yīng)力集中位置均位于索塔錨固區(qū)的折角上；在無預(yù)應(yīng)力筋狀態(tài)下，混凝土索塔錨固區(qū)的局部最大主拉應(yīng)力值達(dá)到71.7MPa，相對于有預(yù)應(yīng)力筋狀態(tài)增大了5.1%， 而局部最大主壓應(yīng)力為119MPa，相對于有預(yù)應(yīng)力筋狀態(tài)，無預(yù)應(yīng)力筋狀態(tài)下減小了19.6%。

5 各工況分析結(jié)果

由于篇幅限制，且環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)置對鋼牛腿-鋼錨梁組合錨固結(jié)構(gòu)的受力影響較小， 文中僅列出索塔錨固區(qū)及鋼牛腿-鋼錨梁組合錨固結(jié)構(gòu)在有無加設(shè)環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋狀態(tài)下各工況局部最大應(yīng)力值，如表2 所示。

圖4 索塔錨固區(qū)第一主應(yīng)力分布情況

從表2 可以看出：環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)置與否，對混凝土索塔錨固區(qū)的受力影響比較大， 尤其對于結(jié)構(gòu)在雙側(cè)受力情況下的主壓應(yīng)力影響最大，降幅達(dá)到了30.8%，這是由于在拉索水平分力及環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋作用下， 混凝土處于雙向受壓狀態(tài)，其受壓應(yīng)力會有所增大，但是環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)置主要是為了協(xié)助混凝土索塔共同承受來自拉索的水平分力，對于混凝土材料而言，在拉索水平分力作用下，抗拉性能才是其首要解決的問題，而在無環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)的主拉應(yīng)力有所增大，這無疑增加了結(jié)構(gòu)的安全隱患， 所以設(shè)置環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋對于索塔錨固區(qū)的保護(hù)起到一定的作用；而對于鋼牛腿-鋼錨梁組合錨固結(jié)構(gòu)的影響主要集中在以承受拉力為主的平衡梁結(jié)構(gòu)上，且其最大局部應(yīng)力差值也在10%以內(nèi)，影響較小，對于其余以受壓為主的部件幾乎沒有影響。

圖5 索塔錨固區(qū)第三主應(yīng)力分布情況

表2 有無加設(shè)環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋各結(jié)構(gòu)局部最大應(yīng)力值一覽表

6 結(jié)論

在采用鋼牛腿-鋼錨梁組合錨固結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)置與否對混凝土索塔錨固區(qū)的受力影響較大， 設(shè)置環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋可以一定程度上降低混凝土索塔的主拉應(yīng)力，但是降幅效果比較有限，說明在運(yùn)營階段基本組合工況下，環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋主要起到安全儲備的作用，在承受拉索索力上的貢獻(xiàn)較??；而對鋼牛腿-鋼錨梁組合錨固結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在以受拉為主的平衡梁結(jié)構(gòu)上，對于其他以受壓為主的組成構(gòu)件幾乎沒有影響，說明環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋主要影響結(jié)構(gòu)縱橋方向上的力學(xué)性能，受力明確。

相對于單側(cè)受力工況，結(jié)構(gòu)處于雙側(cè)受力情況下，設(shè)置環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋對于結(jié)構(gòu)各部件的受力影響均較大，說明環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋比較適用于雙側(cè)受力相對均勻的索塔結(jié)構(gòu)。