斜塔钢混组合索塔钢锚箱空间分析

斜塔钢混组合索塔钢锚箱空间分析

大连红叶海景观工程2号景观桥位于滨海公路经过红叶海社区。这是一座采用塔、梁、塔相结构的单塔斜混凝土桥。该桥设计荷载为公路I级。因该桥是滨海公路上一座景观桥,为得到协调、通透的景观效果,根据方案设计与业主要求,索塔应纤细、轻盈、有美感。又因该桥工期较紧,有效工期仅为6到7个月,所以拉索区采用钢混凝土组合结构,钢索塔一次性吊装的设计方式以满足较为紧张的工期。1主梁及索塔布置本桥主跨跨径为55m,边跨跨径为30m,桥宽22m(12m车行道+5m人行道+5m索区)。主梁采用单箱四室倒梯形箱梁混凝土结构,桥轴线处梁高1.8m。索塔横向为倒Y型形式,塔高51.35m,下塔柱和中塔柱部分为钢筋混凝土结构,上塔柱(拉索锚固区)采用钢箱结构,外包混凝土。索面采用扇形布置,主跨内标准索距7.5m,边跨内标准索距为4m,塔上标准索距为1.5m。图1为本桥总布置图。2拉索区截面的连接在上塔柱范围,顺桥向塔宽为2.5m不变,塔宽在横桥向的尺寸为变宽度,从塔顶向下的12.5m范围内,由顶部的3m向下变到4m。为了保证空间较好的效果,斜拉桥的索塔选择了较小的截面尺寸,上塔柱截面为(2.5m顺桥向)×(3～4m横桥向)。斜拉桥较小的索塔拉索区截面尺寸无法采用传统的索塔拉索区的设计方式:1)实体混凝土塔上的交错锚固:若要保证交错拉索互相不干扰,那么拉索区横桥向至少要做到5.5m宽,这样做显然满足不了斜拉桥3～4m宽的拉索区截面宽度。2)空心塔的侧壁锚固:为了保证空心桥塔混凝土不被斜拉索拉坏,需使塔壁具有一定的壁厚,并在空心塔柱的壁板内配置预应力钢筋。但是由于本桥较小的拉索区截面,若采用直束锚固(井字形锚固),由于锚固长度较短,无论是采用预应力钢绞线或者是采用精扎螺纹钢,都会造成非常大的预应力损失,有效预应力较小;若采用环形束锚固,在钢束转弯处曲率半径较小,造成预应力损失较大,无法布束。3)上塔柱直接采用钢塔的方案:由于本桥对景观性要求较高,且中塔柱和下塔柱均为混凝土塔柱,若上塔柱为钢塔的话,因材质不同,将很大程度地影响本桥的美观。4)常规钢-混凝土组合方案:苏通大桥采用的斜拉桥索塔锚固方案,在钢-混凝土组合结构上张拉拉索,组合结构一起参与各个阶段的受力,这样会使混凝土内存在较大的拉应力,混凝土壁板内依然需要进行预应力筋锚固,但由于方案2)所述原因,导致本桥塔混凝土壁板内布束不可取。鉴于以上的分析,斜拉桥的索塔上塔柱将采用钢箱-混凝土的组合形式索塔。外包混凝土部分在索力张拉结束后再浇筑,在活载和其他可变荷载作用下与钢箱一起联合受力。本桥斜拉索锚固在上塔柱12.5m高的范围内,由于钢锚箱方案较预应力混凝土锚固方案每延米轻很多,大大地缓解了索塔的鞭效应,对索塔和基础的抗震设计有利。同时钢锚箱方案具有传力路径简单直接,受力均匀,预制质量有保证,拼装施工方便,结构耐久性好等优点,加之如图2所示的新颖的钢锚箱构造能更好地适用于斜拉桥的较小的截面限制。所以斜拉桥采用如图3所示的钢锚箱索塔锚固方案。3设置横板和横板图4中给出了斜拉桥最顶层拉索锚固区1/4拉索锚固构造,它主要由钢塔壁1,顺桥向拉板2,锚垫板3,横隔板4,横桥向拉板5组成,构造比较简单,可以保证锚固区拥有流畅均匀的传力性能。当本层4根斜拉索张拉的时候,拉索将强大的索拉力通过锚杯传递给锚垫板3。此时,在锚固区内2块顺桥向通长的拉板2和横隔板4分担了大部分锚垫板传递过来的索力,并通过强大的顺桥向拉板缓解了顺桥向每组拉索对钢塔壁的直接作用,减小塔壁的局部变形。虽然拉索的主要倾斜角度为顺桥向倾斜,但在横桥向也有一定程度的倾斜,这也就对顺桥向拉板输入了面外的力。于是,在与顺桥向拉板垂直的方向焊接横桥向拉板5以保证顺桥向拉板的面外稳定。在距离每层拉索理论空间锚固点沿塔高方向向下0.6m设置横隔板,横隔板与顺桥向拉板,横桥向拉板以及钢塔壁通过熔透方式焊接,这样便将拉板内较大的索力流畅地扩散到横隔板上,从而更加均匀地扩散传递至塔壁,解决了拉板对塔壁过分集中的作用。值得注意的是,横隔板的放置位置至关重要,若横隔板过于靠近理论锚固点,会导致索力在横隔板相交于钢塔壁处对钢塔壁的作用过分集中;若横隔板过分远离理论锚固点,会使索力在塔高方向沿顺桥向拉板与塔壁相交处对塔壁的作用过分集中,需建立有限元模型计算分析加以比较。除了图4中给出的各个板的布置位置以外,应在钢塔壁上布置18道通长的加劲肋,这样便增大了钢塔截面的抗弯惯性矩,并且增大了钢塔竖向的极限承载力。4模型单元的选取首先对全桥建立整体模型计算分析,各阶段荷载组合下的拉索索力如表1所示。表1中,边跨方向拉索自上到下的编号为A1～A6,主跨方向拉索自上到下的编号为B1～B6。为确定实桥结构中钢锚箱各部件的承载能力和安全储备,选取斜拉桥顶部拉索索力最大的2层锚固区(A1,B1;A2,B2)来进行计算分析。之所以选择2层锚固区,目的在于分析处于2层锚固区之间的横隔板对扩散和平衡强大的拉索力起到的效果,从而确定横隔板的最佳位置。根据圣维南原理,建立如图5所示的有限元模型(为了表达清晰,图5中给出的是索塔横桥向1/2空间构造),钢板厚度如表2所示。节段模型的仿真计算分析采用大型通用有限元计算软件ANSYS程序。钢锚箱的各部件采用8节点壳单元(Shell93)进行模拟。网格划分精度为0.1m。索拉力以面荷载方式加载至相应锚垫板表面;对四周钢塔壁底端施加线约束。钢的弹性模量E=2.01×105MPa,泊松比γ=0.3。对如图5所示的钢塔节段的模拟,可用ANSYS提供的Shell系列单元。但Shell系列的单元有多种,它们各自的行为和产品限制又各不相同。选用适于本模型的Shell单元,是得到准确的分析结果的保证。选择对Shell63和Shell93单元进行比选。Shell63单元为弹性壳,不支持材料非线性和有限应变,不计剪切变形;Shell93单元为结构曲壳,支持材料非线性和有限应变,计剪切变形。对于高跨比不太小的板件(L/H<10),剪切变形将引起板件的附加挠度,并使原来垂直于中面的截面变形后不再与中面垂直,且发生翘曲,因此这种情况必须考虑剪切变形的影响,对相应单元的模拟应用支持剪切变形的Shell93单元进行模拟。但模型的板件属于薄板(L/H>50),不必考虑剪切变形,所以仅从是否考虑剪切变形的角度来讲,模型应该选用不计剪切变形的Shell63单元。由于需要分析板件非线性的效果,而且Shell63单元不支持材料非线性和有限应变,所以用Shell93来模拟模型的薄板。如果用支持剪切变形的单元模拟薄板(L/H趋于无穷大),由于约束条件不能精确满足,导致夸大了剪切应变能的量级,从而会产生零解,即所谓的“剪切锁死”(ShearLocking)。为避免剪切锁死现象,可采用缩减积分、假设剪切应变和替代插值函数等方法。分别用Shell63和Shell93单元模拟模型的各个板件并计算分析,结果是有一定的差距的。可见选择合适单元的重要性。图6～图9分别给出了钢锚箱在成桥组合索力加载以后,各个主要板件的Von-Mise应力分布。长度单位m,应力单位Pa。通过对ANSYS的计算结果进行分析,横隔板内Von-Mise应力范围从20～130MPa,板件内最大位移仅为0.7mm;横桥向钢塔壁内Von-Mise应力范围从30～190MPa,板件内最大位移仅为0.9mm,但在顺桥向拉板与横桥向钢塔壁接触处存在较小程度的应力集中;顺桥向钢塔壁内Von-Mise应力范围从30～120MPa,板件内最大位移仅为0.5mm;顺桥向拉板内Von-Mise主要应力范围从20～120MPa,板件内最大位移为0.5mm,但在锚垫板与顺桥向拉板相接触处存在较为明显的应力集中现象,通过在每组顺桥向拉板间焊接平行于拉索方向并与顺桥向拉板垂直的加劲板可以缓解此应力集中现象。从图6～图9可见:合理地分析各个板件的相互关系拟建立的模型,在进行有限元计算分析后,较好地验证了之前的受力机理假定。索力在横隔板,横桥向钢塔壁,横桥向拉板以及顺桥向拉板内分配得较好,并均匀地扩散到钢塔壁,尽管在锚垫板下的顺桥向拉板有一定程度应力集中,但顺桥向拉板大范围内的应力较小,且均匀。5顶层拉索的应力筋因为钢塔壁外包混凝土较薄,为了控制混凝土的拉应力在允许的范围内。待斜拉索安装并张拉完毕后,再现场浇注上塔柱的外包混凝土部分。也就是说混凝土只承担在使用阶段的汽车荷载等活荷载。从表1所示,对于顶层拉索A1,从成桥到使用阶段单根索拉力的增值为(8255-6920)/2=667.5kN。钢塔壁与混凝土之间设置剪力钉,为保证外包混凝土在温度、收缩、徐变下保证一定的压应力,在外包混凝土中设置如图10所示的竖向的预应力筋。以plane82(8节点板单元)建立的组合桥塔半截面模型,并将由活荷载产生的索拉力的分力作用于顺桥向钢塔壁和横桥向钢塔壁,如图11所示。图12给出了由活荷载产生的拉索力作用于钢塔壁时,外包混凝土内的应力分布,从图12可见,主要应力(Von-Mise)为1MPa左右的拉应力,满足规范要求。6钢拉桥塔和混凝土组合结构的施工影响a.对于索塔拉索区塔截面较小的情况可以采用所示的多正交板件均布传力的方式,经过有限元模型分析,应力传递均匀,效果较好,应力范围都在100MPa左右。b.通过对全桥建立整体模型,斜拉桥塔采用钢塔,显著降低了拉索区的重量,对结构的抗震设计有利。c.桥塔的设计方式很