梅溪河大桥箱形主塔索塔锚固区应力分析

梅溪河大桥箱形主塔索塔锚固区应力分析

在已完工的倾斜桥上，大多数桥塔都采用混凝土桥塔。主塔的拉索加固部分是将拉索局部收集力均匀地分配给塔柱的重要压力结构。其压力状况是设计和施工中的一个重要问题。为了平衡斜拉索的强大集中力作用,目前塔柱多采用大吨位、小半径的环向预应力钢束布置。在斜拉索和环向预应力钢束的作用下,塔柱受力复杂且局部应力集中现象明显,必须进行专门的有限元仿真分析,以揭示该区域的受力特征和应力分布规律。本文以重庆梅溪河大桥为背景,应用大型通用有限元程序Ansys对其索塔锚固区进行了空间仿真分析,为设计和施工提供参考。1预应力混凝土桥塔梅溪河大桥主桥为(190+386+190)m双塔双索面预应力混凝土斜拉桥,锚跨与主跨跨径比为0.4922。为了增加斜拉桥的整体刚度,两边跨各设一个辅助墩,将190m的边跨分成(43+147)m两跨。结构为半漂浮体系。在索塔处设置横向限位支座,以及纵向油压阻尼器,防止发生过大的水平位移。主梁采用预应力混凝土双主肋断面,全宽27.5m,主梁中心高2.6m,桥面板设2.0%的双向横坡。主塔采用C50混凝土桥塔,H形结构,塔高为193m,索塔上塔柱高78.5m,中塔柱高42m,下塔柱高72.5m。每个塔上有31对拉索,全桥共有124对拉索。拉索锚固塔区塔柱的截面为750×450cm,壁厚纵桥向为120cm,横桥向为80cm。环向预应力钢束为12ΦS15.2mm,预应力孔道采用塑料波纹管制孔,张拉控制应力1395MPa,两端张拉。2空间分析模块2.1材料本构模型由于塔顶部斜拉索的索力最大且倾角最小,水平拉力最大,因此取塔的最上四段作为研究对象。现以通用有限元分析软件Ansys为计算平台,混凝土采用八节点三维混凝土实体单元Solid65,混凝土弹性模量取34500MPa,容重取26kN/m3,泊松比为0.2。环向预应力钢束采用空间杆单元Link8模拟。将整个结构视为均质弹性体,材料本构关系为线弹性,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环向预应力钢束的位置,网格划分采用四面体自由划分,以便对索孔附近进行网格细化。节段共划分了36115个Solid65单元,504个Link8单元,模型如图1、图2所示。整体坐标系X为横桥向、Y为顺桥向、Z为竖向。2.2计算参数(1)斜拉索力计算本文对主梁边跨A31～A28四个索距区段进行空间应力分析。为安全考虑,斜拉索力按最不利组合值取用,对应的索力如表1所示。模型模拟了实际的斜拉索锚固区形状,索力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。(2)建立预应力钢束杆由于模型的建立兼顾了环向预应力钢束的位置,使得预应力钢束的位置有节点存在,通过这些节点建立预应力钢束杆单元,预应力施加采用降温方法。按照《桥规》计算各项预应力损失,环向预应力损失大约35%,即永存预应力为906.75MPa。(3)段底固接处理在底面上的边界条件按高度方向位移为零考虑,节段底按固接处理,顺桥向施加对称约束。由于本节段桥塔顶面主要承受上部塔的压力作用,因此在顶面将上部传下来的压力作为均布荷载加在节段模型上。2.3主塔背索锚固区节段空间应力场模拟主塔背索锚固区节段因受力复杂,且存在诸多不确定因素,如小半径环向预应力筋预应力损失难以准确计算。本报告结合工程实际,对上述不定因素进行了符合工程计算精度所需的假定,力求在简单、适用、合理的前提下对主塔背索锚固区节段空间应力场的分布进行准确的模拟。为了明确环向预应力的作用效果,本次计算采用了如下两种计算工况。工况一:张拉环向预应力钢束。工况二:索力和环向预应力钢束共同作用。3锚固区应力分析结果为了降低边界条件及荷载等对整体计算结果的影响,根据圣维南原理仅列出A30拉索对应索塔位置的计算结果,以此为依据对索塔锚固区进行应力分析。结果如图3～图6所示。图中应力单位均为帕(Pa)(在Ansys中规定,拉应力为正,压应力为负)。3.1标准物质的拉环坍塌3.1.1塔横截面上拉压应力由图3可知,在环向预应力钢束作用下,索塔横桥向正应力σx沿横桥向在塔横截面上拉压应力间隔出现,横桥向塔柱中间承受较大的压应力,横桥向塔柱边缘承受较大的拉应力。环向预应力钢束张拉位置处存在应力集中现象。3.1.2索塔顺桥与塔柱外侧应力由图4可知,在环向预应力钢束作用下,索塔顺桥向正应力σy顺桥向塔柱外侧承受较大的拉应力,中间承受较大的压应力。环向预应力钢束张拉位置处存在应力集中现象。3.22号线的压力和环形扭转预测钢梁的共同作用3.2.1塔横截面上拉压应力由图5可知,在索力和环向预应力钢束共同作用下,索塔横桥向正应力σx沿横桥向在塔横截面上拉压应力间隔出现,由于拉索索力的原因,横桥向塔柱中间内外侧应力相差较大,外侧承受较大的拉应力,内侧承受较大的压应力。拉索张拉位置处存在应力集中现象。3.2.2塔顺桥与塔柱之间内外侧应力分布由图6可知,在索力和环向预应力钢束共同作用下,索塔顺桥向正应力σY,由于拉索索力的原因,顺桥向塔柱中间内外侧应力相差较大,外侧承受较大的拉应力,内侧承受较大的压应力。拉索张拉位置处存在应力集中现象。3.3工况作用下的应力工况一和工况二作用下特征点处的应力如表2所示。由表3可知,顺桥向塔柱壁在工况一作用下应力较均匀,在工况二作用下由于拉索的作用内外侧应力相差较大。特征点处塔柱最大压应力为8.31MPa,最大拉应力为0.27MPa,均小于C50混凝土容许应力,索塔锚固区应力完全满足受力要求。4预应力钢束布置(1)斜拉桥预应力箱形索塔锚固区的受力状态是十分复杂的,必须通过精确的空间有限元分析,特别是对索孔、预应力效应等须做细致的模拟,方能准确掌握它的受力特性。(2)在环向预应力钢束作用下,顺桥向索塔前壁的外侧是纵桥向拉应力出现的部位,横桥向索塔侧壁的外侧是横桥向拉应力出现的部位。在预应力钢束布置时,应充分考虑外侧的压力储备,同时也应考虑预应力对结构产生的局部拉应力增大,改善应力集中现象。(3)在施加了斜拉索作用后,横桥向索塔塔侧壁承受顺桥向压应力,可见环向预应力钢束对塔受力的改善。但是塔的前壁外侧,特别是拉索的外侧出口仍承受顺桥向拉应力,考虑到索孔的削弱