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計中，索塔的設計重量達到了“1噸”級，索塔邊坡的支撐力增加。為平衡拉索力在錨固區(qū)產生的拉應力,需要在塔柱內布置預應力鋼束,同時優(yōu)化預應力束在塔柱內的布置方式可使索塔錨固區(qū)受力更加均勻、合理。在斜拉索和預應力束的共同作用下,錨固區(qū)受力復雜且局部應力集中現(xiàn)象明顯,為了全面掌握局部應力分布規(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)進行空間應力仿真和分析,供設計、施工單位參考。1塔-線-柱結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,鉆石型結構,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)(稱為塔柱結合部),塔頂錨固區(qū)構造見圖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。橋梁設計荷載等級為公路—Ⅰ級,整個梁體在墩頂設豎向和橫向支承,是半漂浮體系結構。索塔頂部聯(lián)體部分采用井字形的布束方式,預應力束為15φs15.2(N1、N2、N3),19φs15.2(N4、N5)預應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,經過與全塔實體模型及平面框架分析模型結果對比可知邊界效應對此節(jié)段錨固區(qū)的受力影響很小。因為結構為完全對稱,所以取其一半為研究對象?，F(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;預應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埋索導管。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,將整個結構視為均質彈性體,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應力鋼束的位置。由于對有限元模型網格的劃分關系到計算精度和計算效率,網格劃分采用六面體掃掠劃分和四面體自由劃分結合的方法,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預應力的施加根據(jù)設計單位提供的數(shù)據(jù),17#索邊跨側及中跨側索力分別為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,如何模擬預應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應力束的空間線型,使實體單元與桿單元共用節(jié)點,預應力的施加采用初應變法施加。按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTJ023—85)計算各項預應力損失,按照永存預應力的大小對各個桿單元施加不同的初應變值。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)應力比較以及計算結果變形圖來看,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應力鋼束,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:張拉預應力鋼束;工況2:斜拉索索力和預應力鋼束共同作用。3主要受力構件斜拉橋橋塔在豎向以受壓為主,對預應力混凝土橋塔,豎向方向往往不是其設計要點,設計中要避免水平方向的拉應力。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,導致邊肋有一定的內凸變形,應力主要受邊肋內側順橋向應力控制;錨固墻受彎剪作用,其主要受橫橋向應力控制,并且錨固墻受外側橫橋向應力控制,最大拉應力發(fā)生在外側孔口上下緣;三箱截面?zhèn)劝逯饕鸬綄芍纤B接的功能,不作為主要受力構件,不必太關注其受力分布。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力控制點對節(jié)段模型空間應力分布進行分析,從索孔處取一剖面其特征點見圖2。3.1張拉井形狀的預制鋼帶3.1.1鋼束染色鋼束的應力由圖6可以得知,在井字形預應力鋼束作用下塔的錨固墻外側承及內側承受較小的順橋向拉應力,塔的邊肋外側承受順橋向壓應力,大小以N1、N2鋼束中線為界分別向兩邊減小,塔的邊肋內側也承受壓應力,并且塔壁內側壓應力大于塔壁外側壓應力;塔的錨固墻外側承受順橋向拉應力,內側承受順橋向很小的壓應力。各特征點應力值見表1。井字形預應力鋼束錨固點處明顯存在應力集中現(xiàn)象,以鋼束起點為中心向四周擴散,并由壓應力過度為拉應力。3.1.2外側應力分析由圖7可以看出,在井字形預應力鋼束作用下,塔錨固墻外側及內側均承受壓應力,并且外側壓應力儲備大于內側,以便有效抵消索力在外側產生的拉應力。側板內側、外側均承受壓應力,并且內側壓應力儲備較大,最大達到13.8MPa,塔邊肋及中肋受很小的壓應力或者拉應力。各特征點應力值見表2。井字形預應力鋼束錨墊板下方應力集中現(xiàn)象明顯,最大壓應力很大,但實際中此處有錨墊板來改善局部受力,該應力值會大大減小。3.2斜拉索法和井形狀應力-鋼束的聯(lián)合作用3.2.1拉索錨索的應力分析由圖8可以得知,在斜拉索索力和預應力鋼束共同作用下,塔邊肋應力分布趨勢與僅作用預應力束時一直,但其外側、內側壓應力均減小,因為此時拉索對邊肋有軸向拉力的作用,塔邊肋內側壓應力仍大于外側壓應力。同時可以看出三箱截面中肋全部處于受壓狀態(tài),此處預應力束N3有效消除了索力對其產生的順橋向水平效應。各特征點應力值見表3。此時有兩處存在應力集中,混凝土拉索錨固處有嚴重的應力集中現(xiàn)象,墊板下方存在較大壓應力26.3MPa,四周同時存在較大拉應力6.20MPa;此外,井字形預應力鋼束處存在明顯應力集中現(xiàn)象,壓應力較大,以鋼束起點為中心,向四周逐漸擴散,由壓應力過渡為拉應力。3.2.2斜拉索下錨下墊板內的應力由圖9可以得知,在索力和井字形預應力鋼束共同作用下,塔錨固墻及側板部分均處于受壓狀態(tài),塔錨固墻內側壓應力值大于外側,側板區(qū)域全部處于受壓,且側板內側壓應力儲備大于外側,保證了在索力橫向分量作用下側板足夠安全。邊肋及三箱中肋承受很小的拉應力。各特征點應力值見表4。此工況下也是存在兩處應力集中,錨墊板下方索孔0.35m左右區(qū)域區(qū)域存在很大的壓應力,最大值達到73.4MPa,錨墊板兩側有較大拉應力,最大值達到9.9MPa,可以明顯看到錨下墊板有明顯的變形。另外一處應力集中出現(xiàn)在井字形預應力鋼束錨固點處,最大壓應力為73.4MPa,以鋼束起點為中心,向四周逐漸擴散,由壓應力過渡為拉應力,在實際施工中會通過構造措施來改善。3.3正應力在豎向的分布規(guī)律要研究井字形預應力束的作用和其應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力在豎向的分布規(guī)律,從而可以揭示井字形預應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)有多處應力集中,取兩個典型的剖面:剖面Ⅰ—Ⅰ(對應特征點8),用于分析順橋向的正應力在豎向的分布規(guī)律,剖面Ⅱ—Ⅱ取在三箱截面?zhèn)劝鍍缺?對應特征點2),用于分析橫橋向正應力在豎向的分布規(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,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”即一組預應力束的影響范圍,可以斷定預應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應力曲線比較可以明顯得知,在錨固區(qū)高度,特征點8對應兩種工況應力差值最大,即此高度斜拉索的效應最明顯,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號點及側板其它區(qū)域沒有影響。可以斷定,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,相鄰斜拉索索力對塔內水平應力的相互影響很小。3.4斜拉索錨固齒的應力集中部位在強大的斜拉索索力作用下,塔體內會受到較大的壓應力和剪應力。從計算結果可知,索導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力,而且存在較大的主拉應力,并沿拉索方向逐漸衰減,其原因主要是錨圈外徑和索導管內徑幾乎相等,造成錨墊板的切應力、主應力較大,同時錨下混凝土承壓區(qū)域較小,造成應力集中,是局部設計的關鍵環(huán)節(jié)。斜拉索錨固齒塊尖端與塔壁結合處,主壓應力最大,達到27.1MPa,塔內最大的主拉應力值偏大,發(fā)生在應力集中部位;塔內較大的剪應力值發(fā)生錨固墻體截面角點處,最大剪應力為3.07MPa,結果表明此橋塔的預應力混凝土結構設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果表明,橋塔錨固區(qū)的應力集中部位主要出現(xiàn)在錨墊板下方,但錨板下方應力集中的范圍較小,墊板下方存在較大壓應力,墊板兩側存在較大拉應力,需要加強螺旋鋼筋進行局部補強設計;從應力云圖可以得知,另外一處應力集中的部位是預應力鋼束錨固處,以鋼束起點為中心向四周擴散,因為此處預應力是通過節(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件進行驗算。根據(jù)《公路鋼筋混凝土和預應力混凝土橋涵設計規(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鋼束鋼束結構①井字形預應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,索塔整體處于受壓狀態(tài),并且受力基本均勻。在配索中,應該根據(jù)拉索產生的效應來針對性的配置預應力鋼束,三箱截面邊肋位置布束時應該將鋼束位置偏向邊肋內側;中肋應對稱布置鋼束;錨固墻布束中將鋼束重心偏向錨固墻外側,在保證錨固區(qū)安全情況下應選用最少的工程數(shù)量,并使索塔受力均勻。②由分析可知側板部分橫橋向、順橋向均未出現(xiàn)拉應力,且橫橋向壓應力儲備較大,可以認為,由于拉索橫橋向分量較小,不必太關注側板受力,其主要作為構造上的作用。③相鄰預應力束層與層之間相互影響不大,不同方向布置的預應力束影響不同方向的應力;上下相鄰斜拉索索力對索塔水平應力的相互影響較小,這是因為在錨固區(qū)構造中,不同錨固區(qū)域其鋸齒塊、墊