大跨度斜拉橋索塔錨固區(qū)受力分析

大跨度斜拉橋索塔錨固區(qū)受力分析

斜拉橋索塔加固區(qū)域是將索塔力集中安全地傳遞給塔柱的重要部分。其壓力是設(shè)計和施工中最令人擔憂的問題之一。在現(xiàn)代大傾角斜拉橋的設(shè)計中，索塔的設(shè)計重量達到了“1噸”級，索塔邊坡的支撐力增加。為平衡拉索力在錨固區(qū)產(chǎn)生的拉應(yīng)力,需要在塔柱內(nèi)布置預(yù)應(yīng)力鋼束,同時優(yōu)化預(yù)應(yīng)力束在塔柱內(nèi)的布置方式可使索塔錨固區(qū)受力更加均勻、合理。在斜拉索和預(yù)應(yīng)力束的共同作用下,錨固區(qū)受力復(fù)雜且局部應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯,為了全面掌握局部應(yīng)力分布規(guī)律,為配束提供理論參考,有必要對索塔錨固區(qū)進行精細的仿真分析。本文以寧波繞城公路甬江特大橋為背景,利用大型有限元程序ANSYS對其索塔錨固區(qū)進行空間應(yīng)力仿真和分析,供設(shè)計、施工單位參考。1塔-線-柱結(jié)合部寧波繞城公路甬江特大橋為聯(lián)塔四索面分幅鋼混凝土雙π形疊合梁斜拉橋,跨徑為54m+166m+468m+166m+54m。索塔采用C50混凝土橋塔,鉆石型結(jié)構(gòu),總高141.5m,索塔上塔柱在其頂部區(qū)域通過混凝土板相聯(lián)(稱為塔柱結(jié)合部),塔頂錨固區(qū)構(gòu)造見圖1。甬江特大橋標準段邊主梁高2.3m,橋面板厚27cm,斜拉索采用平行鋼絲斜拉索,各索塔的中跨、邊跨各設(shè)18對斜拉索,全橋共288根斜拉索;拉索在主梁上的基本索距為12m,在索塔上基本索距為2.042～4.585m,屬于現(xiàn)代密索體系斜拉橋。橋梁設(shè)計荷載等級為公路—Ⅰ級,整個梁體在墩頂設(shè)豎向和橫向支承,是半漂浮體系結(jié)構(gòu)。索塔頂部聯(lián)體部分采用井字形的布束方式,預(yù)應(yīng)力束為15φs15.2(N1、N2、N3),19φs15.2(N4、N5)預(yù)應(yīng)力高強度低松弛鋼絞線,標準強度Ry=1860MPa,Ey=1.95×105MPa,張拉控制應(yīng)力為1395MPa,采用塑料波紋管進行管道成型,兩端張拉施工工藝,鋼束具體布置見圖2。2元算模型2.1有限元模型及模擬由于橋塔頂部斜拉索索力最大且傾角最小,故取塔頂區(qū)域作為研究對象,根據(jù)圣維南原理,為消除邊界效應(yīng)對分析區(qū)域的受力影響,圍繞17#索取6.5m節(jié)段作為研究對象,經(jīng)過與全塔實體模型及平面框架分析模型結(jié)果對比可知邊界效應(yīng)對此節(jié)段錨固區(qū)的受力影響很小。因為結(jié)構(gòu)為完全對稱,所以取其一半為研究對象。現(xiàn)以通用有限元軟件ANSYS為計算平臺,混凝土采用八節(jié)點三維混凝土實體單元SOLID45和十節(jié)點單元SOLID92,六面體劃分采用SOLID45,錨頭劃分采用SOLID92;預(yù)應(yīng)力鋼束采用空間桿單元LINK8模擬;用SHELL63單元模擬斜拉索錨墊板和預(yù)埋索導(dǎo)管。SHELL63單元與SOLID45單元及SOLID92單元通過共用節(jié)點來保證其共同受力,將整個結(jié)構(gòu)視為均質(zhì)彈性體,未考慮普通鋼筋和鋼骨架的影響。模型考慮了拉索的錨固齒塊和孔道削弱以及兼顧了預(yù)應(yīng)力鋼束的位置。由于對有限元模型網(wǎng)格的劃分關(guān)系到計算精度和計算效率,網(wǎng)格劃分采用六面體掃掠劃分和四面體自由劃分結(jié)合的方法,節(jié)段共劃分了14073個SOLID45單元,32535個SOLID92單元,1724個SHELL63單元,1440個LINK8單元。其幾何模型及有限元模型分別見圖3～圖5。2.2預(yù)應(yīng)力的施加根據(jù)設(shè)計單位提供的數(shù)據(jù),17#索邊跨側(cè)及中跨側(cè)索力分別為5490kN、5200kN。模型模擬了實際的斜拉索錨固區(qū)形狀,錨下墊板與拉索方向垂直,由于斜拉索是受拉構(gòu)件,不承受壓力,只承受拉力,所以索力可作為均布面力加在鋼墊板下區(qū)域(方形鋼板面積減去孔道面積),作用方向垂直于齒塊錨固面并與拉索的方向一致。模型建立過程中,如何模擬預(yù)應(yīng)力束對混凝土的作用是建立有限元模型的難點,本文采用工作平面切分體的方法準確模擬了預(yù)應(yīng)力束的空間線型,使實體單元與桿單元共用節(jié)點,預(yù)應(yīng)力的施加采用初應(yīng)變法施加。按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTJ023—85)計算各項預(yù)應(yīng)力損失,按照永存預(yù)應(yīng)力的大小對各個桿單元施加不同的初應(yīng)變值。約束邊界條件,對模型底面按固定約束考慮,即約束模型底面所有點的平動自由度和轉(zhuǎn)動自由度,在對稱面上施加對稱約束,根據(jù)與全塔模型錨固區(qū)應(yīng)力比較以及計算結(jié)果變形圖來看,這種邊界條件是合理的。2.3斜拉索受力分析由于在施工中是先張拉預(yù)應(yīng)力鋼束,再張拉斜拉索,故考慮2種荷載工況,分析其受力規(guī)律。工況1:張拉預(yù)應(yīng)力鋼束;工況2:斜拉索索力和預(yù)應(yīng)力鋼束共同作用。3主要受力構(gòu)件斜拉橋橋塔在豎向以受壓為主,對預(yù)應(yīng)力混凝土橋塔,豎向方向往往不是其設(shè)計要點,設(shè)計中要避免水平方向的拉應(yīng)力。根據(jù)此單箱三室索塔截面的受力特點,可以判定,在拉索荷載作用下,其邊肋受力為拉彎組合,由于拉索力存在很大的順橋向的分量,導(dǎo)致邊肋有一定的內(nèi)凸變形,應(yīng)力主要受邊肋內(nèi)側(cè)順橋向應(yīng)力控制;錨固墻受彎剪作用,其主要受橫橋向應(yīng)力控制,并且錨固墻受外側(cè)橫橋向應(yīng)力控制,最大拉應(yīng)力發(fā)生在外側(cè)孔口上下緣;三箱截面?zhèn)劝逯饕鸬綄芍纤B接的功能,不作為主要受力構(gòu)件,不必太關(guān)注其受力分布。在索塔空間有限元計算中,雖然節(jié)點有數(shù)萬個,但是根據(jù)節(jié)段模型的受力特點,以模型在荷載作用下的危險面為研究對象,可以采取控制典型截面上幾個主要應(yīng)力控制點對節(jié)段模型空間應(yīng)力分布進行分析,從索孔處取一剖面其特征點見圖2。3.1張拉井形狀的預(yù)制鋼帶3.1.1鋼束染色鋼束的應(yīng)力由圖6可以得知,在井字形預(yù)應(yīng)力鋼束作用下塔的錨固墻外側(cè)承及內(nèi)側(cè)承受較小的順橋向拉應(yīng)力,塔的邊肋外側(cè)承受順橋向壓應(yīng)力,大小以N1、N2鋼束中線為界分別向兩邊減小,塔的邊肋內(nèi)側(cè)也承受壓應(yīng)力,并且塔壁內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力大于塔壁外側(cè)壓應(yīng)力;塔的錨固墻外側(cè)承受順橋向拉應(yīng)力,內(nèi)側(cè)承受順橋向很小的壓應(yīng)力。各特征點應(yīng)力值見表1。井字形預(yù)應(yīng)力鋼束錨固點處明顯存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,以鋼束起點為中心向四周擴散,并由壓應(yīng)力過度為拉應(yīng)力。3.1.2外側(cè)應(yīng)力分析由圖7可以看出,在井字形預(yù)應(yīng)力鋼束作用下,塔錨固墻外側(cè)及內(nèi)側(cè)均承受壓應(yīng)力,并且外側(cè)壓應(yīng)力儲備大于內(nèi)側(cè),以便有效抵消索力在外側(cè)產(chǎn)生的拉應(yīng)力。側(cè)板內(nèi)側(cè)、外側(cè)均承受壓應(yīng)力,并且內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力儲備較大,最大達到13.8MPa,塔邊肋及中肋受很小的壓應(yīng)力或者拉應(yīng)力。各特征點應(yīng)力值見表2。井字形預(yù)應(yīng)力鋼束錨墊板下方應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯,最大壓應(yīng)力很大,但實際中此處有錨墊板來改善局部受力,該應(yīng)力值會大大減小。3.2斜拉索法和井形狀應(yīng)力-鋼束的聯(lián)合作用3.2.1拉索錨索的應(yīng)力分析由圖8可以得知,在斜拉索索力和預(yù)應(yīng)力鋼束共同作用下,塔邊肋應(yīng)力分布趨勢與僅作用預(yù)應(yīng)力束時一直,但其外側(cè)、內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力均減小,因為此時拉索對邊肋有軸向拉力的作用,塔邊肋內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力仍大于外側(cè)壓應(yīng)力。同時可以看出三箱截面中肋全部處于受壓狀態(tài),此處預(yù)應(yīng)力束N3有效消除了索力對其產(chǎn)生的順橋向水平效應(yīng)。各特征點應(yīng)力值見表3。此時有兩處存在應(yīng)力集中,混凝土拉索錨固處有嚴重的應(yīng)力集中現(xiàn)象,墊板下方存在較大壓應(yīng)力26.3MPa,四周同時存在較大拉應(yīng)力6.20MPa;此外,井字形預(yù)應(yīng)力鋼束處存在明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象,壓應(yīng)力較大,以鋼束起點為中心,向四周逐漸擴散,由壓應(yīng)力過渡為拉應(yīng)力。3.2.2斜拉索下錨下墊板內(nèi)的應(yīng)力由圖9可以得知,在索力和井字形預(yù)應(yīng)力鋼束共同作用下,塔錨固墻及側(cè)板部分均處于受壓狀態(tài),塔錨固墻內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力值大于外側(cè),側(cè)板區(qū)域全部處于受壓,且側(cè)板內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力儲備大于外側(cè),保證了在索力橫向分量作用下側(cè)板足夠安全。邊肋及三箱中肋承受很小的拉應(yīng)力。各特征點應(yīng)力值見表4。此工況下也是存在兩處應(yīng)力集中,錨墊板下方索孔0.35m左右區(qū)域區(qū)域存在很大的壓應(yīng)力,最大值達到73.4MPa,錨墊板兩側(cè)有較大拉應(yīng)力,最大值達到9.9MPa,可以明顯看到錨下墊板有明顯的變形。另外一處應(yīng)力集中出現(xiàn)在井字形預(yù)應(yīng)力鋼束錨固點處,最大壓應(yīng)力為73.4MPa,以鋼束起點為中心,向四周逐漸擴散,由壓應(yīng)力過渡為拉應(yīng)力,在實際施工中會通過構(gòu)造措施來改善。3.3正應(yīng)力在豎向的分布規(guī)律要研究井字形預(yù)應(yīng)力束的作用和其應(yīng)力擴散以及各對斜拉索之間的相互影響,對于斜拉索可以通過單根斜拉索作用的影響范圍來反映,就有必要分析特征點應(yīng)力在豎向的分布規(guī)律,從而可以揭示井字形預(yù)應(yīng)力鋼束在豎向影響范圍和索力在豎向的擴散?？紤]到塔錨固墻錨固區(qū)有多處應(yīng)力集中,取兩個典型的剖面:剖面Ⅰ—Ⅰ(對應(yīng)特征點8),用于分析順橋向的正應(yīng)力在豎向的分布規(guī)律,剖面Ⅱ—Ⅱ取在三箱截面?zhèn)劝鍍?nèi)壁(對應(yīng)特征點2),用于分析橫橋向正應(yīng)力在豎向的分布規(guī)律,圖10、圖11中坐標軸原點從斜拉索索孔高度算起,沿索孔豎直向上為正,向下為負。由圖10工況1曲線可以看出S17處N1、N2、N3的影響范圍在2m以內(nèi),即一個索距的范圍,圖10及圖11工況1曲線均有明顯的“臺階”即一組預(yù)應(yīng)力束的影響范圍,可以斷定預(yù)應(yīng)力束在豎向影響范圍很有限,均在“臺階”范圍左右;由圖10工況1和工況2應(yīng)力曲線比較可以明顯得知,在錨固區(qū)高度,特征點8對應(yīng)兩種工況應(yīng)力差值最大,即此高度斜拉索的效應(yīng)最明顯,從錨固區(qū)向塔頂、塔底均依次衰減,接近兩端時索力效應(yīng)幾乎為零,其影響范圍主要在3m左右,即一個索距范圍附近。同理由圖11可以得到相似結(jié)論,由于斜拉索橫向偏角小,索力橫向分量較小,索力幾乎對2號點及側(cè)板其它區(qū)域沒有影響?？梢詳喽?在斜拉索錨固區(qū)段張拉優(yōu)化索力的情況下,單根斜拉索的影響主要集中在其索孔上下一個索距范圍內(nèi),相鄰斜拉索索力對塔內(nèi)水平應(yīng)力的相互影響很小。3.4斜拉索錨固齒的應(yīng)力集中部位在強大的斜拉索索力作用下,塔體內(nèi)會受到較大的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力。從計算結(jié)果可知,索導(dǎo)管周圍表層及沿軸以下兩層特征點,不但存在較大的主壓應(yīng)力,而且存在較大的主拉應(yīng)力,并沿拉索方向逐漸衰減,其原因主要是錨圈外徑和索導(dǎo)管內(nèi)徑幾乎相等,造成錨墊板的切應(yīng)力、主應(yīng)力較大,同時錨下混凝土承壓區(qū)域較小,造成應(yīng)力集中,是局部設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。斜拉索錨固齒塊尖端與塔壁結(jié)合處,主壓應(yīng)力最大,達到27.1MPa,塔內(nèi)最大的主拉應(yīng)力值偏大,發(fā)生在應(yīng)力集中部位;塔內(nèi)較大的剪應(yīng)力值發(fā)生錨固墻體截面角點處,最大剪應(yīng)力為3.07MPa,結(jié)果表明此橋塔的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計是一種合理的方案。3.5拉索錨下局部壓實驗算有限元分析的結(jié)果表明,橋塔錨固區(qū)的應(yīng)力集中部位主要出現(xiàn)在錨墊板下方,但錨板下方應(yīng)力集中的范圍較小,墊板下方存在較大壓應(yīng)力,墊板兩側(cè)存在較大拉應(yīng)力,需要加強螺旋鋼筋進行局部補強設(shè)計;從應(yīng)力云圖可以得知,另外一處應(yīng)力集中的部位是預(yù)應(yīng)力鋼束錨固處,以鋼束起點為中心向四周擴散,因為此處預(yù)應(yīng)力是通過節(jié)點力加上去的,實際中是通過錨墊板以均布力的形式施加的,其應(yīng)力集中會大大減弱。由于拉索錨下部分的混凝土為局部承壓,所以需要按局部承壓構(gòu)件進行驗算。根據(jù)《公路鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》,錨下混凝土承載力必須滿足公式:γ0Fld≤0.9(ηsβfcd+kρvβcorfsd)A1n?βcor=AcorAl???√?β=AbAl??√?γ0Fld≤0.9(ηsβfcd+kρvβcorfsd)A1n?βcor=AcorAl?β=AbAl?其中:ηs=1.0,β=3.0,fcd=22.4MPa,k=2.0,fsd=280MPa,βcor=1.062,ρv=0.0138,A1n=0.136m2,Ab=2.137m2,Acor=0.268m2,Al=0.237m2,得:0.9(ηsβfcd+kρvβcorfsd)A1n=10277.31kN,大于γ0Fld=6039kN,故錨下滿足局部承壓要求。4鋼束鋼束結(jié)構(gòu)①井字形預(yù)應(yīng)力鋼束的作用在塔壁各個區(qū)域較好的抵消了斜拉索索力的效應(yīng),索塔整體處于受壓狀態(tài),并且受力基本均勻。在配索中,應(yīng)該根據(jù)拉索產(chǎn)生的效應(yīng)來針對性的配置預(yù)應(yīng)力鋼束,三箱截面邊肋位置布束時應(yīng)該將鋼束位置偏向邊肋內(nèi)側(cè);中肋應(yīng)對稱布置鋼束;錨固墻布束中將鋼束重心偏向錨固墻外側(cè),在保證錨固區(qū)安全情況下應(yīng)選用最少的工程數(shù)量,并使索塔受力均勻。②由分析可知側(cè)板部分橫橋向、順橋向均未出現(xiàn)拉應(yīng)力,且橫橋向壓應(yīng)力儲備較大,可以認為,由于拉索橫橋向分量較小,不必太關(guān)注側(cè)板受力,其主要作為構(gòu)造上的作用。③相鄰預(yù)應(yīng)力束層與層之間相互影響不大,不同方向布置的預(yù)應(yīng)力束影響不同方向的應(yīng)力;上下相鄰斜拉索索力對索塔水平應(yīng)力的相互影響較小,這是因為在錨固區(qū)構(gòu)造中,不同錨固區(qū)域其鋸齒塊、墊