斜拉橋索梁錨固區應力分析

黃思友，侯 兵，陳 杰，李 樂，冉光成

（中國中鐵二局集團第四工程有限公司，四川 成都 610300）

0 引言

斜拉橋拉索的拉力作用于主梁錨固點，索梁錨固區的構造較為復雜，受力相對集中，是控制設計的關鍵部位[1-2]。因此，掌握錨固區域的應力分布情況十分重要。

國內外學者采用不同的方法對其進行了研究。華波等[3]研究了組合式錨拉板索梁錨固區構件受力和抗疲勞性能。陳彥江等[4]基于模型試驗數據采用ABAQUS 有限元分析軟件，研究了錨拉板式索梁錨固區在設計荷載作用下的受力情況和傳力機制。梅應華等[5]分析了摩擦對錨拉板與混凝土主梁的受力影響。袁瑞等[6]以實際工程為背景，對最大索力處的主梁進行了分析，發現主梁的應力過大，提出了錨固區主梁改進方法。陸春陽等[7]依托上海長江大橋，采用數值分析的方法探討了板件應力集中的改進方法。熊華濤[8]對斜拉橋索梁錨固區的受力機理進行了分析，發現了容易出現應力集中的部位，通過自適應變量的遺傳算法進行了優化。

矮塔斜拉橋索梁錨固區局部應力的影響因素很多。在當前的數值分析研究中，一些細節的處理尚需進一步完善。例如，模型邊界條件應該如何簡化，才能正確地反映索梁錨固區的受力。且目前的研究中主要是采用數值分析，缺少實測數據的驗證，其計算結果的準確性有待探究。因此，本文在大量實測數據的基礎上驗證計算分析模型，確定邊界約束條件，探究不同參數對索梁區混凝土受力的影響。

1 工程概況

博羅東江特大橋主橋采用（90.8+180+90.8）m，橋面以上塔高29.9 m。每個塔上共設計7 根斜拉索，單個橋墩上邊跨位置A1～A17 共17 個懸臂澆筑段，中跨位置B1～B18 共18 個懸臂澆筑段，如圖1 所示。其中，A5 塊上對應安裝有1# 斜拉索，之后每隔1 個懸臂澆筑塊段，安裝1 根斜拉索，7# 斜拉索對應A17 塊懸臂澆筑段。為分析索梁錨固區施工過程中的受力特性，主要選取A5 塊進行分析。

圖1 整體布置圖（單位：cm）

2 現場試驗

2.1 傳感器布置

在A5 塊段塔澆筑混凝土前，將事先準備好的應力傳感器布置在索梁的相應位置，以便索梁澆筑完成后監測索梁內部在接下來的施工階段和成橋階段的應力變化。具體傳感器布置如圖2 所示。

圖2 傳感器布置圖模型

2.2 測試結果

對施工全過程進行監測，依據現場實測數據明確索梁錨固區混凝土的實際受力狀態和不同施工階段塔索梁錨固區混凝土應力的變化規律，為此類橋梁的后續施工提供技術支撐。1#和3#測點沿拉索方向，2# 和4# 測點為豎向傳感器，5#～8# 測點均為橫向傳感器。具體應力變化見表1。

表1 索梁錨固區測點應力

在整個施工過程中，A5 塊主梁索梁錨固區不同測點的應力在1 號索張拉后7 號塊澆筑后應力變化較大，之后趨于穩定，且最大壓應力僅為6.4 MPa，遠小于容許壓應力。施工過程中，錨固區翼緣板上部位置出現了拉應力，最大為1.0 MPa，未超出容許拉應力。在橋面鋪裝后，壓應力會增大，最大達到了7.8 MPa，拉應力變成壓應力。因此，建議以后同類橋梁施工過程中在錨固區翼緣板上部增加橫向拉筋。

3 有限元建模

3.1 錨固區局部模型

取其A5 塊對應錨固區及附近的箱梁節段為研究對象，拉索傾斜角45.06°，錨塊長度為3 762 mm，起點位于A5 塊翼緣板下端遠離中跨側114.8 mm處，寬1450 mm，其余部分均按照實際尺寸建立有限元模型，如圖3 所示。為有效模擬錨墊板與承壓板之間的作用，承壓板與錨墊板緊密貼在一起，即在錨墊板與承壓板之間建立接觸單元并進行耦合，預埋管道與混凝土之間采用固結的連結方式。采用整體法進行受力計算，對主梁縱向預應力采用等效荷載法施加在A5 塊的端部。

圖3 索梁錨固處局部模型

現有的邊界條件均采用固結，與實際情況不符。在澆筑后續塊段時，已澆筑的所有塊段均會產生變形。取局部建立有限元分析模型時，若直接采用根部固結的方式而不考慮對應的彈性變形，會使計算結果偏大，偏于保守，增加建設成本。因此，為了更準確地計算索梁錨固區的受力分析，建議建立局部分析模型時，根部豎向邊界條件采用彈性支撐，其中剛度的計算可以依據Midas 中建立的梁單元模型計算。計算分析模型如圖4 所示。

3.2 模型驗證

對比分析固結邊界和彈性支撐邊界條件下兩種模型的計算結果，如圖5 所示。

圖5 中跨合龍后計算結果

由圖5（a）可知，固結時根部產生的應力較大，且極易出現應力集中的現象，不好直觀地判斷出需要的計算結果。隨著距離根部位置的增大，影響逐漸減小。由圖5（b）可知，采用彈性連結時，計算結果與圖6 中的實測數據相一致。說明修正后的該計算分析模型可以有效計算索梁在不同施工階段的受力特征。

圖6 5# 測點對比分析結果

4 參數分析

4.1 收縮徐變

考慮混凝土的收縮徐變對索梁錨固區受力的影響，計算結果見表2。

表2 A5 塊主梁索梁錨固區測點應力

由表2 可知，收縮徐變對錨固區混凝土應力沿橫向變化較小，沿豎向隨著時間的變化會有所增大，但變化幅度不大，說明收縮徐變對索梁錨固區的混凝土的應力影響較小。

4.2 整體溫度

一年四季，橋梁經歷從冬季的低溫到夏季的高溫。因此，溫度的變化也是橋梁受力不可忽略的一個重要因素。采用上述計算分析模型對索梁錨固區進行整體升溫10℃和20℃、整體降溫10℃和20℃的受力分析。限于篇幅，僅給出1# 測點和5# 測點的數據。具體計算結果如圖7 所示，分析結果見表3和表4。

表3 整體溫度變化對索梁受力的影響（1# 測點）

圖7 整體溫度變化對索梁受力的影響

由圖7 可知，整體升溫和整體降溫對錨固區混凝土受力的影響基本呈線性變化，錨固區錨墊板下應力最大。整體降溫時，混凝土的壓應力增大，由外向內影響逐漸減小；整體升溫時，混凝土的壓應力會減小，溫度的變化對錨固區混凝土縱向應力和豎向應力的影響較小，最大僅為20.4%。但是溫度的變化對翼緣板錨固區混凝土的應力影響較大。從表3 和表4 中也可知，整體降溫20℃時，錨固區外側橫向出現拉應力，橫向應力發展規律從翼緣板向腹板方向拉應力逐漸減小，對混凝土應力的影響達到233%。因此，橋梁設計時應考慮溫度變化對錨固區翼緣板混凝土應力的影響。

4.3 梯度溫度

索梁錨固區在太陽照射的一面和未照射的一面會出現溫度差，兩側的溫度不同也會對其受力產生影響。因此，梯度溫度也是橋梁受力不可忽略的一個重要因素。采用上述計算分析模型對索梁錨固區進行溫差10℃和溫差20℃的三向應力進行受力分析。本文對1# 測點的三向應力進行了分析，具體計算結果如圖8～圖10 所示，分析結果見表5。

表5 梯度溫度變化對索梁受力的影響（1# 測點）

圖9 橫向計算分析結果（單位：kP a）

圖10 豎向計算分析結果（單位：kP a）

從表5 可以看出，梯度溫度對X 方向的混凝土應力影響較大，受力最大的部位主要集中在錨固區錨墊板下的混凝土，當溫差達到10℃時，相對于溫差為0℃時X 方向的混凝土應力變化達到了232.3%；當溫差達到20℃時，相對于溫差為0℃時X 方向的混凝土應力變化達到了338.7%，且出現的是橫向拉應力，應力發展規律從翼緣板外側向腹板方向逐漸減小。因此，橋梁設計時應充分考慮梯度溫度對索梁錨固區混凝土橫向應力的影響。

5 結論

（1）在整個施工過程中，主梁索梁錨固區不同測點的應力在拉索張拉和下一根拉索安裝前的應力變化較大，之后趨于穩定，且最大壓應力遠小于容許壓應力。翼緣板上部位置出現了拉應力，建議設計中應考慮在翼緣板上部增加橫向拉筋，確保結構的安全。

（2）實測數據與理論計算的對比分析結果驗證了該計算分析模型的正確性和合理性，為精確計算索梁固結區混凝土的受力提供了技術支撐。

（3）收縮徐變對混凝土橫向應力的影響較小，豎向應力隨著時間的變化會有所增大，但變化幅度不大。

（4）整體升溫和整體降溫對翼緣板混凝土受力的影響基本呈線性變化。整體降溫時，混凝土的壓應力增大，由翼緣板向腹板方向的影響逐漸減小。整體升溫時，混凝土的壓應力會減小，溫度的變化對混凝土縱向應力和豎向應力的影響較小。但是溫度的變化對橫向混凝土的應力影響較大，整體降溫20℃時，橫向出現拉應力，從翼緣板向腹板方向拉應力逐漸減小，對混凝土應力的影響達到233%。因此，橋梁設計時應考慮溫度變化對混凝土應力的影響。

（5）梯度溫度對Y 方向和Z 方向的混凝土應力影響較小，但是對X 方向的混凝土應力影響較大。當溫差達到10℃時，相對于溫差為0℃時X 方向的混凝土應力變化達到了232.3%；當溫差達到20℃時，相對于溫差為0℃時X 方向的混凝土應力變化達到了338.7%，且出現的是橫向拉應力，從翼緣板外側向腹板方向逐漸減小。因此，橋梁設計時應充分考慮梯度溫度對索梁錨固區混凝土橫向應力的影響。