斜拉索主塔锚固区局部应力分析

摘要：斜拉桥索塔锚固区域结构复杂、受力集中，是控制设计的关键部位。了解锚固区域在斜拉索作用下的应力分布情况十分重要。对某斜拉桥索塔锚固区建立有限元模型，并对其在环向预应力作用下和成桥状态下应力进行计算分析，得出索塔锚固区应力状态并提出一些建议。

关键词：斜拉桥索塔锚固区局部应力分析

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：

1 项目概况

主桥采用独塔双柱双跨双索面预应力混凝土斜拉桥，墩塔梁固结体系，跨径组合为2×110m，桥面标准宽度为23.2m（拉索区为23.6m）。采用双边主梁截面，边主梁采用箱形断面，边主梁最低点高2.6m。主塔墩总高为66.7m（塔座以上）。上塔柱为2根一字型，主梁以上塔高51.6m，箱型断面，下塔柱采用倒梯形结构形式。

图1计算区域示意图

图21/4塔柱σ1应力云图

图3S17拉索锚块上缘截面σy应力云图

2模型建立

2.1 节段选取

主塔在锚固段沿高度方向共有斜拉索17对，锚固段塔高约30米，全塔高度在梁上部分为51.6米。由于索力分布为上大下小，且与水平面夹角度数分布为上小下大，这样造成斜拉索对塔的水平作用分力分布规律为上大下小，考虑到仅选取部分节段能够满足计算精度要求，因此选取主塔塔顶段索力最大五对索范围（斜拉索编号为S13～S17和S13’～S17’，高度方向共10m段）建立有限元模型。笔者采用大型通用有限元软件ANSYS对索塔节段建立模型，分析了其在张拉预应力工况、运营阶段最不利工况下的应力分布情况，并得出了一些有益的结论。

2.2 相关参数选取

建模过程中采用solid45单元来模拟混凝土，link8单元模拟预应力钢束，shell181单元模拟垫板和索孔套管，模型节点总数为58239个，单元总数为292168个，采用降温模拟环形预应力，等效面荷载模拟拉索荷载。在模型中没有考虑普通钢筋的影响，且认为结构处于线弹性状态。混凝土的弹性模量、泊松比以及容重根据设计值分别取3.55×104 MPa，0.2和25 kN/m3。

2.3 荷载与约束的模拟

根据整体计算结果，拟定选取索塔锚固段局部分析的边界条件。塔底采用固结方式，拉索力采用等效面荷载方式施加到锚垫板，钢绞线有效应力考虑预应力损失，按照控制应力的0.70倍取为976.5MPa，单根斜拉索索力如表1.1所示。

表1.1 斜拉索索力表

2.4 计算结果

根据圣维南原理，计算结果中仅阐述S14拉索锚固区及其以上区域，计算了模型在张拉预应力工况以及运营最不利工况下的受力情况，并对17号拉索节段的锚固区域附近一些关键区域和截面的应力分布情况进行了分析。

2.4.1 预应力张拉工况

通过对预应力张拉工况的计算，得出分析截段锚块和塔身各构件的应力状况，如下图所示。

图2给出了1/4模型区域第一主应力云图，结构大部分区域均处于1.50MPa左右的拉应力状态，大于2MPa的拉应力仅出现在锚块上缘与塔壁接触A处，该处由于锚块处截面突变，容易导致截面处应力应力传递路径不平顺，而产生应力集中的现象，设计中需要重点关注，加强构造配筋。

图3给出了S17拉索锚块上缘处桥塔水平切面应力云图，该截面塔身处于0.5MPa左右的拉应力状态，拉应力向塔身内侧逐渐增大，在锚块位置出现最值，约为4.49MPa。预应力钢束的四个弯折点内侧应力值明显大于外侧值，内外侧应力分布不均匀，与钢束弯折半径有关，建议增大弯折半径，并在该区域范围布置钢筋网，以使应力分布更均匀。预应力钢束的塔外侧锚固端有明显应力集中，应按预应力钢束锚头相应构造加强。

2.4.2 使用阶段极限状态

通过对使用阶段极限状态的计算，得出分析截段锚块和塔身各构件的应力状况，如下图所示。

图4塔柱σ1应力云图

图5 S17拉索锚块上缘截面σ1应力云图

图4给出了1/4模型区域第一主应力云图，结构大部分区域均处在-1.0~1.0MPa的应力范围内，在锚块与塔壁交接局部区域出现2.0MPa左右的拉应力，锚块上缘与塔壁接触处拉应力较大约为4.0MPa。最大压应力出现在锚垫板下方，应力值约为17.3MPa。

图5给出了S17拉索锚块上缘处截面应力云图，从图中可以看出：塔板在该截面内大部分区域拉应力水平较低，值约为0.3MPa，靠近塔壁内侧约50cm范围内，出现一个环形拉应力区域，大小约为1.0MPa，拉应力最大值出现在S17号索锚块顶端与塔壁交接位置，大小为4.0MPa。整个区域压应力水平均不高，在与锚块相连的塔壁压应力约为4.0MPa，侧壁基本处于0.5MPa压应力状态。从本截面所示结果可知，环向预应力提供了足够的预压力，可以平衡斜拉索对非锚固侧塔壁产生的拉应力。

3 结论与建议

本文针对索塔和索塔锚固区进行计算分析得出如下结论：

（1）每根预应力钢束的弯折点附近出现明显应力集中现象，拉应力极值约5MPa，与钢束弯折半径有关，建议增大弯折半径，并在该区域范围布置钢筋网，以使应力分布更均匀。

（2）环向预应力钢束起终点预应力损失较大，建议采用低回缩预应力钢束等措施减小短钢束的预应力损失，且预应力钢束的塔外侧锚固端有明显应力集中，应按预应力钢束锚头相应构造加强。

（3）斜拉索锚块上缘与塔壁的结合处局部区域竖向拉应力水平较高，该区域加强竖向抗拉钢筋的配置，做好构造处理防止开裂，影响结构的整体受力性能。

（4）索塔节段模型在斜拉索力和预应力共同作用下，受力较为合理，虽然局部存在应力集中现象，但影响范围不大，可通过构造处理得以改善。

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