大跨度斜拉桥索塔锚固区受力分析

大跨度斜拉桥索塔锚固区受力分析

斜拉桥索塔加固区域是将索塔力集中安全地传递给塔柱的重要部分。其压力是设计和施工中最令人担忧的问题之一。在现代大倾角斜拉桥的设计中，索塔的设计重量达到了“1吨”级，索塔边坡的支撑力增加。为平衡拉索力在锚固区产生的拉应力,需要在塔柱内布置预应力钢束,同时优化预应力束在塔柱内的布置方式可使索塔锚固区受力更加均匀、合理。在斜拉索和预应力束的共同作用下,锚固区受力复杂且局部应力集中现象明显,为了全面掌握局部应力分布规律,为配束提供理论参考,有必要对索塔锚固区进行精细的仿真分析。本文以宁波绕城公路甬江特大桥为背景,利用大型有限元程序ANSYS对其索塔锚固区进行空间应力仿真和分析,供设计、施工单位参考。1塔-线-柱结合部宁波绕城公路甬江特大桥为联塔四索面分幅钢混凝土双π形叠合梁斜拉桥,跨径为54m+166m+468m+166m+54m。索塔采用C50混凝土桥塔,钻石型结构,总高141.5m,索塔上塔柱在其顶部区域通过混凝土板相联(称为塔柱结合部),塔顶锚固区构造见图1。甬江特大桥标准段边主梁高2.3m,桥面板厚27cm,斜拉索采用平行钢丝斜拉索,各索塔的中跨、边跨各设18对斜拉索,全桥共288根斜拉索;拉索在主梁上的基本索距为12m,在索塔上基本索距为2.042～4.585m,属于现代密索体系斜拉桥。桥梁设计荷载等级为公路—Ⅰ级,整个梁体在墩顶设竖向和横向支承,是半漂浮体系结构。索塔顶部联体部分采用井字形的布束方式,预应力束为15φs15.2(N1、N2、N3),19φs15.2(N4、N5)预应力高强度低松弛钢绞线,标准强度Ry=1860MPa,Ey=1.95×105MPa,张拉控制应力为1395MPa,采用塑料波纹管进行管道成型,两端张拉施工工艺,钢束具体布置见图2。2元算模型2.1有限元模型及模拟由于桥塔顶部斜拉索索力最大且倾角最小,故取塔顶区域作为研究对象,根据圣维南原理,为消除边界效应对分析区域的受力影响,围绕17#索取6.5m节段作为研究对象,经过与全塔实体模型及平面框架分析模型结果对比可知边界效应对此节段锚固区的受力影响很小。因为结构为完全对称,所以取其一半为研究对象。现以通用有限元软件ANSYS为计算平台,混凝土采用八节点三维混凝土实体单元SOLID45和十节点单元SOLID92,六面体划分采用SOLID45,锚头划分采用SOLID92;预应力钢束采用空间杆单元LINK8模拟;用SHELL63单元模拟斜拉索锚垫板和预埋索导管。SHELL63单元与SOLID45单元及SOLID92单元通过共用节点来保证其共同受力,将整个结构视为均质弹性体,未考虑普通钢筋和钢骨架的影响。模型考虑了拉索的锚固齿块和孔道削弱以及兼顾了预应力钢束的位置。由于对有限元模型网格的划分关系到计算精度和计算效率,网格划分采用六面体扫掠划分和四面体自由划分结合的方法,节段共划分了14073个SOLID45单元,32535个SOLID92单元,1724个SHELL63单元,1440个LINK8单元。其几何模型及有限元模型分别见图3～图5。2.2预应力的施加根据设计单位提供的数据,17#索边跨侧及中跨侧索力分别为5490kN、5200kN。模型模拟了实际的斜拉索锚固区形状,锚下垫板与拉索方向垂直,由于斜拉索是受拉构件,不承受压力,只承受拉力,所以索力可作为均布面力加在钢垫板下区域(方形钢板面积减去孔道面积),作用方向垂直于齿块锚固面并与拉索的方向一致。模型建立过程中,如何模拟预应力束对混凝土的作用是建立有限元模型的难点,本文采用工作平面切分体的方法准确模拟了预应力束的空间线型,使实体单元与杆单元共用节点,预应力的施加采用初应变法施加。按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ023—85)计算各项预应力损失,按照永存预应力的大小对各个杆单元施加不同的初应变值。约束边界条件,对模型底面按固定约束考虑,即约束模型底面所有点的平动自由度和转动自由度,在对称面上施加对称约束,根据与全塔模型锚固区应力比较以及计算结果变形图来看,这种边界条件是合理的。2.3斜拉索受力分析由于在施工中是先张拉预应力钢束,再张拉斜拉索,故考虑2种荷载工况,分析其受力规律。工况1:张拉预应力钢束;工况2:斜拉索索力和预应力钢束共同作用。3主要受力构件斜拉桥桥塔在竖向以受压为主,对预应力混凝土桥塔,竖向方向往往不是其设计要点,设计中要避免水平方向的拉应力。根据此单箱三室索塔截面的受力特点,可以判定,在拉索荷载作用下,其边肋受力为拉弯组合,由于拉索力存在很大的顺桥向的分量,导致边肋有一定的内凸变形,应力主要受边肋内侧顺桥向应力控制;锚固墙受弯剪作用,其主要受横桥向应力控制,并且锚固墙受外侧横桥向应力控制,最大拉应力发生在外侧孔口上下缘;三箱截面侧板主要起到将两肢上塔柱连接的功能,不作为主要受力构件,不必太关注其受力分布。在索塔空间有限元计算中,虽然节点有数万个,但是根据节段模型的受力特点,以模型在荷载作用下的危险面为研究对象,可以采取控制典型截面上几个主要应力控制点对节段模型空间应力分布进行分析,从索孔处取一剖面其特征点见图2。3.1张拉井形状的预制钢带3.1.1钢束染色钢束的应力由图6可以得知,在井字形预应力钢束作用下塔的锚固墙外侧承及内侧承受较小的顺桥向拉应力,塔的边肋外侧承受顺桥向压应力,大小以N1、N2钢束中线为界分别向两边减小,塔的边肋内侧也承受压应力,并且塔壁内侧压应力大于塔壁外侧压应力;塔的锚固墙外侧承受顺桥向拉应力,内侧承受顺桥向很小的压应力。各特征点应力值见表1。井字形预应力钢束锚固点处明显存在应力集中现象,以钢束起点为中心向四周扩散,并由压应力过度为拉应力。3.1.2外侧应力分析由图7可以看出,在井字形预应力钢束作用下,塔锚固墙外侧及内侧均承受压应力,并且外侧压应力储备大于内侧,以便有效抵消索力在外侧产生的拉应力。侧板内侧、外侧均承受压应力,并且内侧压应力储备较大,最大达到13.8MPa,塔边肋及中肋受很小的压应力或者拉应力。各特征点应力值见表2。井字形预应力钢束锚垫板下方应力集中现象明显,最大压应力很大,但实际中此处有锚垫板来改善局部受力,该应力值会大大减小。3.2斜拉索法和井形状应力-钢束的联合作用3.2.1拉索锚索的应力分析由图8可以得知,在斜拉索索力和预应力钢束共同作用下,塔边肋应力分布趋势与仅作用预应力束时一直,但其外侧、内侧压应力均减小,因为此时拉索对边肋有轴向拉力的作用,塔边肋内侧压应力仍大于外侧压应力。同时可以看出三箱截面中肋全部处于受压状态,此处预应力束N3有效消除了索力对其产生的顺桥向水平效应。各特征点应力值见表3。此时有两处存在应力集中,混凝土拉索锚固处有严重的应力集中现象,垫板下方存在较大压应力26.3MPa,四周同时存在较大拉应力6.20MPa;此外,井字形预应力钢束处存在明显应力集中现象,压应力较大,以钢束起点为中心,向四周逐渐扩散,由压应力过渡为拉应力。3.2.2斜拉索下锚下垫板内的应力由图9可以得知,在索力和井字形预应力钢束共同作用下,塔锚固墙及侧板部分均处于受压状态,塔锚固墙内侧压应力值大于外侧,侧板区域全部处于受压,且侧板内侧压应力储备大于外侧,保证了在索力横向分量作用下侧板足够安全。边肋及三箱中肋承受很小的拉应力。各特征点应力值见表4。此工况下也是存在两处应力集中,锚垫板下方索孔0.35m左右区域区域存在很大的压应力,最大值达到73.4MPa,锚垫板两侧有较大拉应力,最大值达到9.9MPa,可以明显看到锚下垫板有明显的变形。另外一处应力集中出现在井字形预应力钢束锚固点处,最大压应力为73.4MPa,以钢束起点为中心,向四周逐渐扩散,由压应力过渡为拉应力,在实际施工中会通过构造措施来改善。3.3正应力在竖向的分布规律要研究井字形预应力束的作用和其应力扩散以及各对斜拉索之间的相互影响,对于斜拉索可以通过单根斜拉索作用的影响范围来反映,就有必要分析特征点应力在竖向的分布规律,从而可以揭示井字形预应力钢束在竖向影响范围和索力在竖向的扩散。考虑到塔锚固墙锚固区有多处应力集中,取两个典型的剖面:剖面Ⅰ—Ⅰ(对应特征点8),用于分析顺桥向的正应力在竖向的分布规律,剖面Ⅱ—Ⅱ取在三箱截面侧板内壁(对应特征点2),用于分析横桥向正应力在竖向的分布规律,图10、图11中坐标轴原点从斜拉索索孔高度算起,沿索孔竖直向上为正,向下为负。由图10工况1曲线可以看出S17处N1、N2、N3的影响范围在2m以内,即一个索距的范围,图10及图11工况1曲线均有明显的“台阶”即一组预应力束的影响范围,可以断定预应力束在竖向影响范围很有限,均在“台阶”范围左右;由图10工况1和工况2应力曲线比较可以明显得知,在锚固区高度,特征点8对应两种工况应力差值最大,即此高度斜拉索的效应最明显,从锚固区向塔顶、塔底均依次衰减,接近两端时索力效应几乎为零,其影响范围主要在3m左右,即一个索距范围附近。同理由图11可以得到相似结论,由于斜拉索横向偏角小,索力横向分量较小,索力几乎对2号点及侧板其它区域没有影响。可以断定,在斜拉索锚固区段张拉优化索力的情况下,单根斜拉索的影响主要集中在其索孔上下一个索距范围内,相邻斜拉索索力对塔内水平应力的相互影响很小。3.4斜拉索锚固齿的应力集中部位在强大的斜拉索索力作用下,塔体内会受到较大的压应力和剪应力。从计算结果可知,索导管周围表层及沿轴以下两层特征点,不但存在较大的主压应力,而且存在较大的主拉应力,并沿拉索方向逐渐衰减,其原因主要是锚圈外径和索导管内径几乎相等,造成锚垫板的切应力、主应力较大,同时锚下混凝土承压区域较小,造成应力集中,是局部设计的关键环节。斜拉索锚固齿块尖端与塔壁结合处,主压应力最大,达到27.1MPa,塔内最大的主拉应力值偏大,发生在应力集中部位;塔内较大的剪应力值发生锚固墙体截面角点处,最大剪应力为3.07MPa,结果表明此桥塔的预应力混凝土结构设计是一种合理的方案。3.5拉索锚下局部压实验算有限元分析的结果表明,桥塔锚固区的应力集中部位主要出现在锚垫板下方,但锚板下方应力集中的范围较小,垫板下方存在较大压应力,垫板两侧存在较大拉应力,需要加强螺旋钢筋进行局部补强设计;从应力云图可以得知,另外一处应力集中的部位是预应力钢束锚固处,以钢束起点为中心向四周扩散,因为此处预应力是通过节点力加上去的,实际中是通过锚垫板以均布力的形式施加的,其应力集中会大大减弱。由于拉索锚下部分的混凝土为局部承压,所以需要按局部承压构件进行验算。根据《公路钢筋混凝土和预应力混凝土桥涵设计规范》,锚下混凝土承载力必须满足公式: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,故锚下满足局部承压要求。4钢束钢束结构①井字形预应力钢束的作用在塔壁各个区域较好的抵消了斜拉索索力的效应,索塔整体处于受压状态,并且受力基本均匀。在配索中,应该根据拉索产生的效应来针对性的配置预应力钢束,三箱截面边肋位置布束时应该将钢束位置偏向边肋内侧;中肋应对称布置钢束;锚固墙布束中将钢束重心偏向锚固墙外侧,在保证锚固区安全情况下应选用最少的工程数量,并使索塔受力均匀。②由分析可知侧板部分横桥向、顺桥向均未出现拉应力,且横桥向压应力储备较大,可以认为,由于拉索横桥向分量较小,不必太关注侧板受力,其主要作为构造上的作用。③相邻预应力束层与层之间相互影响不大,不同方向布置的预应力束影响不同方向的应力;上下相邻斜拉索索力对索塔水平应力的相互影响较小,这是因为在锚固区构造中,不同锚固区域其锯齿块、垫