鋼錨梁索塔錨固區(qū)單節(jié)段有限元受力分析

韋勇克 陳啟嬋

作者簡介：

韋勇克（1971—），高級工程師，主要從事橋梁隧道設(shè)計工作;

陳嬋（1989—），工程師，碩士，主要從事橋梁設(shè)計工作。

文章結(jié)合平南相思洲大橋工程實例，運用有限元軟件對該橋索塔錨固區(qū)不平衡索力最大的節(jié)段模型進行計算，分析索塔錨固區(qū)水平荷載傳遞途徑及受力特點。結(jié)果表明：鋼錨梁與牛腿的連接方式對混凝土塔壁產(chǎn)生的拉應(yīng)力最小;在不平衡索力作用下，特別是斷索工況，混凝土塔壁會存在拉應(yīng)力集中的現(xiàn)象，設(shè)計時應(yīng)在索塔錨固區(qū)混凝土適當加強鋼筋與預(yù)應(yīng)力筋的布置。

斜拉橋;鋼錨梁;牛腿;索塔錨固區(qū);混凝土塔壁;斷索

U448.21A411425

0 引言

近年來，鋼錨梁以其受力明確、造價較低、施工方便快捷的特點，被廣泛地應(yīng)用在斜拉橋的索塔錨固區(qū)上。鋼錨梁設(shè)置在索塔錨固區(qū)內(nèi)部的牛腿上，主要承擔塔端拉索的水平分力，拉索的豎向分力則通過牛腿傳到混凝土塔壁，由混凝土橋塔承擔[1-2]。

本文以平南相思洲大橋為背景，對索塔錨固區(qū)施工過程中鋼錨梁與塔柱牛腿不同的約束連接方式進行有限元計算分析，通過對比更好地了解拉索水平分力在鋼錨梁的傳力途徑、鋼錨梁與混凝土塔壁間的受力分配。同時，進一步考察鋼錨梁和塔壁的不利情況，分析斷索工況下其受力特點。

1 工程概況

平南相思洲大橋主橋為雙塔雙索面組合梁斜拉橋，跨徑布置為（40+170+450+170+40）m，結(jié)構(gòu)整體為半漂浮體系，橋型布置見圖1。橋塔形式為鉆石型，南、北塔高均為147.3 m，分別設(shè)置2×20對斜拉索，全橋共160根。上塔柱為等截面箱型，外輪廓尺寸為7.0 m（順橋向）×4.5 m（橫橋向），橫橋向側(cè)面斜率為1/7.813 81（即7.293°）。拉索塔端的錨固設(shè)在上塔柱，均采用鋼錨梁的錨固形式，每套鋼錨梁平行于主塔設(shè)置。鋼錨梁具體構(gòu)造見圖2。

2 索塔錨固區(qū)水平荷載傳遞途徑及受力特點

鋼錨梁與牛腿兩者間不同的連接方式有著不同的荷載分配關(guān)系。鋼錨梁與牛腿的連接及傳力方式主要有以下的情況：

（1）滑動連接：鋼錨梁與牛腿兩者間通過設(shè)置四氟乙烯板，可形成縱向相對滑動的關(guān)系，拉索水平分力較大一側(cè)會使鋼錨梁緊貼塔壁，鋼錨梁主要承受平衡水平分力，通過擋塊將不平衡水平力傳遞至混凝土塔壁[3-4]。

（2）固定連接：超靜定結(jié)構(gòu)，鋼錨梁與牛腿兩者間處于固定狀態(tài)，鋼錨梁和塔壁在順橋向上共同變形，水平荷載會根據(jù)變形協(xié)調(diào)原則分配，分別由鋼錨梁和混凝土塔壁承擔[4-6]。

（3）一端滑動連接、另一端固定連接：鋼錨梁仍為主要受力結(jié)構(gòu)，固定約束端支座將不平衡水平分力傳遞至混凝土塔壁[4-7]。此種結(jié)構(gòu)的受力模式相對明了，也是本橋所采用的連接方式。

3 空間分析模型

3.1 有限元模型

建立索塔錨固區(qū)ANSYS有限元模型，以不平衡索力最大、結(jié)構(gòu)受力最為不利的20#（荔浦側(cè)）鋼錨梁作為研究對象進行計算。模型中鋼錨梁與牛腿各部分的鋼結(jié)構(gòu)板件均采用Solid187實體單元模擬，混凝土塔壁采用Solid65單元模擬，分析模型定義節(jié)點141 160個，單元132 040個。模型如圖3所示。

3.2 荷載與邊界條件

結(jié)構(gòu)分析時施加的外荷載為自重與拉索索力。索力按施工順序的一張、二張、成橋索力進行加載，索力轉(zhuǎn)化為面荷載分別施加在對應(yīng)的錨墊板的表面上。鋼錨梁與鋼牛腿兩者間固結(jié)和滑動的連接均采用接觸分析，采用接觸單元Conta174與Targe170進行模擬。當為滑動模擬時，采用滑動端摩擦系數(shù)為0.05的滑動接觸;當為固定模擬時，則設(shè)置為綁定接觸。

3.3 分析工況

施工過程的分析主要根據(jù)鋼錨梁與牛腿的不同連接方式進行計算比較。由于滑動連接的水平荷載分配關(guān)系較為簡單，同時，基于本橋的構(gòu)造特點，故本文研究的連接方式分別為固定連接與一端滑動、另一端固定的連接。具體工況如下：

（1）工況一：鋼錨梁與牛腿的連接方式為張拉時中跨滑動邊跨固定，張拉后中跨滑動端被固結(jié)起來，即成橋時兩端固定的體系，也是本橋的設(shè)計方案。

（2）工況二：鋼錨梁與牛腿的連接方式為張拉時邊跨滑動中跨固定，張拉后也將邊跨端固結(jié)起來。

（3）工況三：鋼錨梁與牛腿的連接方式為從張拉到成橋，兩端均為固定約束。

同時，為進一步考察鋼錨梁和塔壁的不利情況，斷索工況出現(xiàn)的概率雖然不高，但設(shè)計中應(yīng)予以考慮與重視。

（4）工況四：假設(shè)錨固在鋼錨梁邊跨側(cè)的斜拉索斷裂，斷索工況下，鋼錨梁與牛腿兩端均為固定體系。

4 計算結(jié)果

4.1 施工時混凝土塔壁的受力

鋼錨梁與牛腿的連接方式處于一端滑動、另一端固定時，計算結(jié)果見表1～4中的工況一、工況二。固定連接時，水平索力的分配應(yīng)由變形協(xié)調(diào)條件通過計算確定，計算結(jié)果見表1～4中的工況三。

索塔錨固區(qū)混凝土的應(yīng)力較大，混凝土側(cè)壁在拉索水平分力作用下主要承擔水平分力的拉伸和彎曲作用，以塔壁內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力最大。根據(jù)上述各工況對比可知，工況一在中跨滑動邊跨固定的連接方式下，塔壁內(nèi)側(cè)混凝土主拉應(yīng)力值最小，成橋索力作用下為1.88 MPa。工況三兩端均固定方式下，成橋索力作用下塔壁內(nèi)側(cè)主拉應(yīng)力的最大值可達2.85 MPa。這主要是鋼錨梁兩端固定約束，部分拉索的水平力由鋼牛腿傳遞至混凝土塔壁，從而引起牛腿背面的塔壁主拉應(yīng)力集中。塔壁內(nèi)、外側(cè)主壓應(yīng)力相差不大，均在容許的范圍內(nèi)。

在不同索力下，采用不同鋼錨梁與牛腿約束方式，混凝土塔壁內(nèi)、外側(cè)混凝土主應(yīng)力變化趨勢一致，由于約束條件直接影響斜拉索水平分力的分配比例，由計算結(jié)果可知，兩端均固定的連接要比一端滑動、另一端固定的應(yīng)力大。同時，對于鋼錨梁僅一端固定、另一端先滑動的方式，計算結(jié)果表明中跨滑動邊跨固定方式要優(yōu)于邊跨滑動中跨固定方式，其原因主要是中跨側(cè)索力稍大于邊跨側(cè)。

從結(jié)構(gòu)安全性和耐久性出發(fā)，本橋在中跨滑動邊跨固定下，索塔錨固區(qū)混凝土仍存在一定范圍內(nèi)的拉應(yīng)力，在混凝土索塔錨固區(qū)適當加強鋼筋與預(yù)應(yīng)力筋的布置是有利的。

4.2 施工時鋼錨梁的受力

索塔錨固區(qū)中，鋼錨梁承受較大的集中力作用，各板件計算結(jié)果見表5。不同約束條件鋼錨梁應(yīng)力有一些差距，但相差不大。鋼錨梁作為拉索水平分力的主要受力結(jié)構(gòu)，無論采用哪種方式其應(yīng)力水平都比較合適，最大等效應(yīng)力位于錨墊板開口邊緣處，為277.4 MPa。工況一鋼錨梁成橋索力的等效應(yīng)力見圖4。

同時，計算結(jié)果表明，三種工況的變形趨勢和位移的分布基本相同（見表6）。由于鋼錨梁整體抗彎剛度較大，鋼壁板通過剪力釘和抗剪鋼板與混凝土塔壁連接，面外彎曲剛度較高。鋼錨梁在斜拉索水平分力作用下受拉伸變形，有一定的中拱變形，但位移量極少，可忽略。

4.3 斷索工況的受力

斷索工況下，塔壁承受運營階段中跨端拉索水平分力，不計斷索的瞬時沖擊，中跨側(cè)塔壁內(nèi)側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中，主拉應(yīng)力最大值達3.93 MPa，塔壁外側(cè)主拉應(yīng)力最大值為2.63 MPa。斷索的邊跨端塔壁彎曲為主，邊跨側(cè)塔壁最大主拉應(yīng)力為1.64 MPa。設(shè)計時在混凝土索塔錨固區(qū)應(yīng)力較大的位置配置鋼筋與預(yù)應(yīng)力筋可避免產(chǎn)生的不利影響。

斷索工況下，鋼錨梁與牛腿的連接方式為固結(jié)連接，鋼錨梁的最大等效應(yīng)力為302 MPa（見圖5），最大應(yīng)力同樣位于錨墊板開口邊緣處。設(shè)計時錨墊板采用Q420D鋼材，斷索工況出現(xiàn)的概率比較低，其仍能使安全得到保證。

5 結(jié)語

（1）鋼錨梁與牛腿的約束條件會影響斜拉索水平分力的分配比例。平南相思洲大橋索塔錨固區(qū)張拉時中跨滑動邊跨固定，張拉后兩端固定約束。計算表明，此種連接方式對混凝土塔壁產(chǎn)生的拉應(yīng)力影響最小，有利于施工過程中混凝土索塔錨固區(qū)的受力。

（2）在不平衡索力作用下，特別是斷索工況，在混凝土塔壁內(nèi)、外側(cè)存在拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，在索塔的錨固區(qū)混凝土內(nèi)應(yīng)適當加強鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋的布置。

（3）鋼錨梁是拉索水平分力的主要受力結(jié)構(gòu)，設(shè)計滿足要求。

[1]張喜剛，劉玉擎.組合索塔錨固結(jié)構(gòu)[M].北京：人民交通出版社，2010.

[2]陳向陽，王昌將，史方華.大跨徑斜拉橋鋼錨梁的創(chuàng)新設(shè)計[J].公路，2009（1）：130-132.

[3]劉建軍，王學(xué)敏.紅水河特大橋鋼牛腿-鋼錨梁組合錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[J].中外公路，2016，36（6）：127-133.

[4]張奇志，尹夏明，鄭舟軍.鋼錨梁索塔錨固區(qū)受力機理分析與約束方式比選[J].橋梁建設(shè)，2012，42（6）：50-56.

[5]賀國棟，阮 欣，石雪飛，等.鋼錨梁索塔錨固區(qū)水平荷載分配關(guān)系[J].結(jié)構(gòu)工程師，2014（4）：6-11.

[6]胡貴瓊，鄭舟軍.荊岳長江公路大橋鋼錨梁索塔錨固區(qū)單節(jié)段模型有限元分析[J].世界橋梁，2010（3）：40-44.

[7]邵旭東，何東升，李立峰.鋼錨梁-鋼牛腿組合結(jié)構(gòu)水平受力機理試驗[J].中國公路學(xué)報，2014，27（4）：55-61，68.