混凝土斜拉桥索塔锚固区应力分析

摘要：

混凝土斜拉桥索塔、主梁常采用预应力混凝土结构，在强大的索力和预应力共同作用下，索塔锚固区受力十分复杂。针对索塔锚固区的受力状况进行研究，对优化锚固区细部构造及预应力钢束的布置均有重要意义。以一座双塔混凝土斜拉桥为例，运用有限元方法对索塔锚固区进行了空间应力分析，总结了锚固区的受力特点。

Abstract: Pre-stressed concrete beams and pylons are usually adapted in concrete cable-stayed bridges. Under cable force and pre-stress, the mechanics of the anchorage is extremely complicated. Theoretical study on the mechanics of the anchorage is very important for the optimization of the structure design and arrangement of pre-stressed tendonsin the anchorage zone. The spatial stress of the anchorage is calculated by finite element method. The mechanical behaviors of the anchorage is calculated by finite element method. The mechanical behaviors of the anchorage are summarized and the research results can be a reference for similar bridge.

Key words: anchorage zone; pre-stressed concrete; local stress analysis; local stress analysis; finite

element method

中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：

引言

斜拉桥是由塔、梁和索3种基本构件组成的桥梁结构体系［1］。对于混凝土斜拉桥而言，索塔、索梁锚固区是一个将索力安全、均匀传递到塔柱、主梁的重要部位，其受力状况较为复杂。随着现代混凝土斜拉桥的跨径日益增加，拉索锚固区的受力越来越大，为平衡巨大的索力在锚固区产生的拉应力，通常需要在塔柱内布置预应力钢束［2］。为了使锚固区的受力更加合理，还必须优化预应力束布置形式和数量，这使得锚固区受力更为复杂。为了准确了解锚固区的应力分布情况，必须对锚固区进行精细的有限元仿真分析。本文以某预应力混凝土斜拉桥为例，利用有限元程序ANSYS对其索塔锚固区进行空间应力分析，并总结锚固区的受力特点，为此类桥型的设计和施工提供参考和依据。

1．工程概况

某斜拉桥为（115+250+115）m双塔双索面预应力混凝土梁斜拉桥，边中跨比为0.46，全长480m。斜拉索采用高强平行钢丝拉索,采用扇形布置,全桥共10对。梁上基本索距为6m,塔上索距为1. 5~1.6m。拉索倾角为32°~75°。斜拉索锚固在主塔锚固区塔柱内壁的锯齿块上，为了克服斜拉索的水平分力在锚固区塔柱截面内产生拉力，在每根拉索锚固区截面四周布置了1-3层井字型加劲二次张拉预应力钢束。

1.1主桥布置图

1.2主塔构造图

1.3索塔锚固端构造图

2．索塔锚固区应力分析

2.1 计算模型

计算取1/4桥塔锚索区整个节段为模型，取塔柱锚索区所有节段作为分析段，模型高94.8m，分别模拟了混凝土结构、纵横向预应力筋和锚索端局部构造，计算模型如图4所示。分析中考虑了预应力效应、斜拉索的斜度和斜拉索锚垫板等。计算中将整个结构视作匀质弹性体，混凝土弹性模量取35000 MPa，泊松比取0.2，容重取26 kN／m3，未考虑普通钢筋对结构的影响。预应力筋弹性模量取195 GPa，泊松比取0.3，容重取78.5kN／m3。预应力损失考虑了锚具回缩损失、管道偏差损失及混凝土的收缩、徐变的影响。

1.4塔柱标准截面

1.5 1/4塔柱几何模型

2.2 单元与边界条件

混凝土采用solid 45实体单元，有x、y、z轴3个方向的自由度；纵横向预应力采用Link 8三维空间杆单元，有3个自由度，分别为x、y、z轴3个方向的位移；锚索区的锚垫板也采用solid 45实体单元模拟。由于取整个塔柱实体结构进行模型分析，可以将塔柱底端作为固端约束处理［3］。划分单元时，对上塔柱拉索区混凝土单元细致网格划分，下塔柱混凝土单元粗略网格划分，塔体和锚垫板采用20节点六面体单元(solid95)及其退化单元(四面体及五面体)，模型中未考虑体内普通钢筋及材料的塑性变形，计算结果偏于安全。

1.7 有限元模型-1

2.3 预应力和荷载

桥塔的纵、横向预应力，是在考虑锚具回缩损失、管道偏差损失及混凝土的收缩、徐变引起的各项预应力损失之后，施加在单元上的，见图1.9。模型中预应力钢绞线标准强度为1860 MPa，张拉控制应力取1395 MPa。模型中用空间杆单元Link8来模拟预应力钢束，在定义好Link8单元的材料、截面特性后，用施加初应变的办法来控制Link8单元各个截面的应力，从而达到施加纵、横向预应力的目的。模型考虑自重和斜拉索的影响，模拟了斜拉索索力的大小和方向。选取斜拉索索力最大值为计算荷载值，按面荷载施加于锚垫板上。

1.9 预应力钢束模型

2.4 计算结果

1.10预应力和索力作用下I-I断面正应力Sx(S14~S20)

1.11预应力和索力作用下I-I断面正应力Sx (S7~S13)

1.13 预应力和索力作用下III-III断面正应力Sz

3 结论

(1) 从有限元计算结果可以看出，预应力的作用通过锚固端很好地传递到索塔和主梁上，能够很好地抵消斜拉索巨大的水平分力。

(2) 索塔锚固端截面的最大应力一般都控制在3MPa范围内，满足设计要求，这说明截面设计和预应力束的布置是合理的。

(3) 在锚固齿块附近一些截面突变的区域，存在较大的拉应力，应力集中现象较为明显，应该在此处通过调整锚垫板、索导管尺寸以增大受压面，或适当增密普通钢筋的布置，以防止混凝土开裂，进而影响结构的耐久性和安全性。

参考文献

［1］林元培．斜拉桥［M］．北京：人民交通出版社，1997．

［2］王存国，刘兆丰，赵人达．甬江斜拉桥索塔锚固区应力分析［J］．公路工程，2009，34(6)：135-139．

［3］张立明．Algor、Ansys在桥梁工程中的应用方法与实例［M］．北京：人民交通出版社，2003．

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。