部分斜拉桥索梁锚固区空间应力仿真分析

摘要：本文以联台大桥为工程背景对该桥索梁锚固区进行了空间应力仿真分析，揭示了索梁锚固区混凝土的工作状态。

关键词：斜拉索空间应力

前言

部分斜拉桥亦称矮塔斜拉桥，具有塔矮、梁刚、索集中的特点。在结构性能上，斜拉索只分担部分荷载，还有相当部分的荷载由梁的受弯、受剪来承受。这种桥型兼有斜拉桥和连续梁桥的特点，其主梁刚度较大，不仅受轴向压力，还要承担相当部分的弯矩和剪力，而一般斜拉桥主梁主要承受压力，因此部分斜拉桥主梁的受力状态比一般斜拉桥主梁更复杂。部分斜拉桥的拉索体系无论从构造设置和受力性能来看均类似于体外索结构，整个拉索体系分为三段：梁体锚固段、索体自由段和塔上锚固段。已建成的部分斜拉桥很大一部分主梁采用单箱三室结构、单索面布索，斜拉索穿过索塔上的双套管结构或分丝管结构锚固在主梁中室锯齿块上，如银湖大桥、小西湖黄河大桥、联台大桥等。塔上锚固段和梁体锚固段构造复杂，锚固区混凝土的受力也十分复杂。已有文献对塔上锚固段进行理论分析和实验研究[1~3]，而对于索梁锚固区的理论分析和实验研究却鲜有报道。

1 工程概况

联台大桥主桥为（82＋136＋82）m双塔单索面部分斜拉桥。斜拉索采用钢绞线索，每根拉索为37根 15.24mm环氧喷涂钢绞线，标准强度 =1860MPa。桥塔位于桥面中间，每塔布置10对拉索，每排索横向布置两根，全桥共80根斜拉索。主梁采用单箱三室大悬臂截面，箱梁顶宽28m，悬臂长4.5m，中室宽1.6m。斜拉索穿过主塔分丝管结构锚固在主梁中室横隔板锯齿块上，锚固关系见图2，主梁上为张拉端。塔上竖向索间距0.7m，箱梁上索间距4.0m，并排两根索间距0.9m。主梁设纵、横、竖三向预应力，纵向预应力为精轧螺纹钢筋和钢绞线两种体系，横向预应力采用钢绞线，布置在顶板及横隔板内。竖向预应力采用精轧螺纹钢筋，布置在腹板及拉索区隔板内。本桥采用挂篮对称悬臂施工，每个施工节段长度为4.0m。

2 局部有限元模型的建立

2.1 计算节段选择

每索塔10对斜拉索，斜拉索编号从塔根至梁端依次为C1～C10，悬臂施工时有索梁段的施工可分为四个步骤。首先挂篮前移到位，安装模板，绑扎钢筋；其次浇筑梁段混凝土；再次张拉三向预应力；最后两端对称张拉斜拉索。C1～C10斜拉索初张力值见表1。部分斜拉桥是一复杂的超静定结构，在桥梁施工过程中，斜拉索的索力会随之改变。杆系有限元的分析结果表明斜拉索初张拉阶段或下一梁段混凝土浇筑后索力最大，随后由于后续纵向预应力，斜拉索张拉以及收缩徐变的影响，斜拉索的索力将降低，部分索的索力历程见图3。而且在斜拉索初张拉阶段，纵向预应力只有顶板钢束，主梁轴压力较小，而后续纵向预应力和斜拉索的张拉会使得主梁轴压力增大，对改善索梁锚固区的受力十分有利。因此从桥梁整个施工阶段分析，斜拉索索力不会超过其初张力。从表1可以看出C1斜拉索初张力值最大，而C1～C10斜拉索与主梁的锚固区构造尺寸相差非常小可以忽略不计，因此C1拉索与主梁锚固节段受力最为不利。综合上述分析，选择C1拉索锚固主梁节段建立有限元模型，C1斜拉索的索力取其初张力8400kN。

2.2 模型建立

整体坐标系X轴沿桥梁轴线方向，Y轴为桥梁的横桥向， Z轴垂直向上为正。根据圣维南原理，取一个主梁节段进行局部应力分析是足够的，但为考虑三向预应力的影响向后多取了一个梁段，几何模型见图4。三向预应力对锚固区的局部应力影响较大，在建模时采用实体力筋法考虑三向预应力的作用，认为预应力束与混凝土间粘结紧密，不滑移，视为刚性粘结。预应力筋采用杆单元建模，混凝土划分为4节点等参实体单元，预应力筋与混凝土之间通过共节点的方式连接。预应力束的拉力通过降温法来施加。普通钢筋在建模时未考虑。钢套筒厚度1cm，选取壳单元建模，而斜拉索锚垫板厚度达到6cm，选取实体单元模拟。为模拟悬臂施工的真实情况，对主梁节段一端施加了固结约束，另外一端自由。模型划分时单元的尺寸控制在0.5～1.0m之间，而在锯齿锚块处进行了加密，局部有限元见图5。斜拉索锚固在锚板上，索力通过外套的螺母传递到锚垫板上，最终分散到混凝土中。在模型中索力以均布面力形式施加在锚板上。

3 锚固区混凝土应力计算及分析

锚下混凝土在索力和预应力的共同作用下处在三向应力状态下，受力状态较为复杂，掌握锚下混凝土在三向应力状态下的力学特点具有现实意义。混凝土在复杂的三向应力状态下采用正应力验算混凝土强度不可靠，应计算其主应力以评估混凝土强度。为了分析三向预应力钢束对锚固区混凝土主应力的影响，计算并提取了不考虑三向预应力时的主应力。

通过对锚固区混凝土在索力和预应力共同作用下以及纯索力作用下的主应力计算发现，锚固区混凝土第一主应力出现了主拉应力。而对于混凝土结构来说，混凝土抗拉强度较低，抗压强度较高，拉应力过大会使构件局部位置开裂，需要严格控制，压应力也应控制在规范设计值以下，保证混凝土不出现压碎。

考虑三向预应力时锚固区混凝土第一主应力最大值为2.7MPa，为主拉应力，出现在锚垫板凹槽靠近腹板和顶板的角隅位置，另外腹板与锯齿块交角处也存在较大的主拉应力。C55混凝土抗拉强度标准值为1.89MPa，锚固区混凝土主拉应力最大值超出了C55混凝土强度设计值，但由于该部位布置了较密的钢筋网片和螺旋钢筋，混凝土处于三向应力状态下，混凝土的抗拉强度得以大幅提高，不致造成混凝土的开裂，但仍应引起足够的重视。第三主应力最小值为-21.2MPa，为主压应力，出现在锚垫板内边缘下混凝土区域。不考虑三向预应力时锚固区混凝土第一主应力最大值为4.7MPa，出现在另外腹板与锯齿块交角处，该值远大于混凝土抗拉强度设计值会引起混凝土的开裂。第三主应力最小值为20.9MPa，位置仍为锚垫板内边缘下混凝土区域。由此可见三向预应力对主压应力的影响不大，而对于主拉应力有较大影响，在施工时一定要保证预应力张拉完成后再张拉斜拉索，即可保证锚固区混凝土开裂安全性。

4 小结与建议

从本桥索梁锚固区混凝土的应力分析可以看出，实际斜拉索张拉完毕后，最大主拉应力和最大主压应力均产生在锚垫板下方，呈现局部受力的特征。计算数值显示混凝土的主压应力值符合规范要求，但主拉应力值较大，应引起足够的重视。三向预应力对锚固区混凝土主拉应力的值及分布影响较大，但对主压应力影响不大。

锚垫板下方及腹板与锯齿块的相交部位为该锚固区混凝土最危险受力部位，设计时应在这些部位采用增加钢筋网片或设置钢板等措施来提高抗拉强度，以减小过大的拉应力集中使混凝土开裂。在施工时应严格做到以下两点：

1）锚固区钢筋较密混凝土容易出现蜂窝麻面等质量问题，但该区域拉压应力均较大，因此在浇注时锯齿块混凝土应保证振捣密实。同时应保证振捣时锚筒不出现跑位。

2）混凝土达到设计张拉强度后才能张拉预应力，每一梁段施工步骤都应保证先张拉三向预应力再张拉斜拉索，不能因为赶工期造成预应力张拉和斜拉索张拉同步进行或先张拉斜拉索再张拉预应力。

参考文献

[1] 刘世忠，欧阳永金.独塔单索面部分斜拉桥力学性能与建设实践[M].北京：中国铁道出版社,90-95.

[2] 李兴华,安群慧,王戒躁.芜湖长江大桥索塔锚固区模型试验研究[J].中国铁道科学, 2001 (10): 103-106.

[3] 金文成,张晓飞等.斜拉桥塔索锚固区空间应力分析[J].公路交通科技,2007(9):69-73.

[4] 吴鸿庆,任侠.结构有限元分析[M].北京：中国铁道出版社.

[5] 郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].北京：中国水利水电出版社.