韩家沱长江大桥索塔锚固区计算报告(432m钢桁梁斜拉桥)

重庆至利川线施工图设计韩家沱长江大桥

(81+135+432+135+81)钢桁梁斜拉桥

索塔锚固区计算报告

(编号：施-Z02)

计算：

复核：

专审：

所审：

院审：

中国中铁二院

二oo九年十二月二八日

目录

1.锚固区基本构造.......................................................................3

2.计算简介.............................................................................3

2.1计算软件.......................................................................3

2.2模型及边界条件.................................................................3

2.3计算荷载.......................................................................4

2.4荷载工况.......................................................................6

2.5容许应力.......................................................................7

3.ANSYS模型及计算结果.................................................................8

3.1计算模型及说明.................................................................8

3.2各工况计算结果................................................................13

3.3计算结果分析...................................................................14

附件1SU段局部应力图................................................................15

附件2典型位置应力表................................................................258

附件3各工况预应力钢束最值表........................................................264

1.锚固区基本构造

1）预应力钢束采用9①15.2mm和7015.2mm的钢绞线，破断力1860Mpa,张拉控

制应力1209Mpa/1265Mpa,计算有效预应力见2.3节。塑料波纹管，内径80mm；锚具

采用9/7孔群锚（张拉端），单端张拉。

2）预应力按下图布置，详细布置见施工设计图。按下图布置。

图1-1断面示意

直线束ABCDE为钢束的等分点；曲线束ABCDE分别为端点、切点、曲线中点、切点、钢束中点

2.计算简介

2.1计算软件

利用ANSYS建立的计算模型，计算主要位置的应力，混凝土单元和铺垫板、承压

板采用块体单元、预应力钢束采用杆单元。其中，混凝土和锚垫板、承压板采用solid64

单元，预应力钢索采用link8单元。

2.2模型及边界条件

1）取隔离体进行分析，根据对计算结果的多次比较可知，模型上端面不约束，不

影响计算结果，下端面约束仅仅影响最下面一个塔段，对于次下塔段的应力几乎没有任

何影响。因此本次计算以考虑索力水平分量最大的塔段sii为研究对象，建立了与其紧

邻的S9-S12塔段进行分析。模型的上端面距塔顶9.25m。

2）按实际布置设置相应的井字型预应力，采用实体单元，考虑预埋钢管、齿板、

锚垫板等构造细节。边界条件采用将最下部所有节点进行固结的方式。

2.3计算荷载

1）自重由程序计算

2）寒潮温度按温差10度施加到实体模型上，内外壁之间按指数函数变化，变化规

律参考《铁路墩台设计手册》。

3）索力按整体有限元分析结果见表2-1。

表2-1计算索力

恒载主力最大主+附最大

拉索编号

内力-J(kN)内力-J(kN)内力-J(kN)

BS14436658625995

BS13473263106429

BS12513768896997

BS11515369797069

BS10511869977067

BS9500869387046

BS8499269107050

BS7496767256887

ZS7475168306981

ZS8486569847094

ZS9498770007094

ZS10506469337024

ZS11512168466947

ZS12519967716894

ZS13484761716310

ZS14486060476209

4）预应力

按张拉控制应力，考虑各预应力钢束的沿程损失（按规范计算，主要参数选取见表

2-2）。计算结果见表2-3（每一段段内近似相等，有效预应力断面）。

表2-2计算参数

参数数值参数数值参数数值

U0.15k0.00150.01875/0.02251

ocon1209/1265AL3侧壁/1.1E-04

前后壁一1.1E-04前后壁外1.2侧壁外1.2

表2-3有效预应力计算表

钢束编号1

分段号X(m)0(rad)L(m)□LI(MPa)oL2(MPa)oL5(MPa)0L6(MPa)opl(MPa)

A-B0.37906.360.68791.98122.6687535.6841057.979

B-C1.16106.362.10491.98122.6687527.8561064.390

C-D1.96906.363.56591.98122.6687527.2601063.525

D-E2.77606.365.0249L98122.6687527.0951062.230

E-D3.58406.366.48291.98122.6687527.1901060.678

D-C4.39106.367.93791.98122.6687527.3241059.089

C-B5.19906.369.39191.98122.6687527.6251057.334

B-A5.98106.3610.79891.98122.6687534.4541049.098

钢束编号5

分段号X(m)0(rad)L(m)□LI(MPa)oL2(MPa)oL5(MPa)oL6(MPa)opl(MPa)

A-B0.426O.(XX)70.77383.57122.6687529.5891072398

B-C1.3010.02677.08483.57122.6687529.5821066.093

C-D2.1840.151730.97483.57122.6687528.9861042.8(H)

D-E3.0590.151732.51983.57122.6687528.4271041.814

E-D3.9410.151734.07583.57122.6687528.3901040.294

D-C4.8160.151735.61683.57122.6687528.7701038.373

C-B5.6990.177741.75983.57122.6687528.6731032.328

B-A6.5740.177743.29083.57122.6687528.8361030.634

钢束编号2

分段号X(m)0(rad)L(m)oLl(MPa)oL2(MPa)oL5(MPa)oL6(MPa)opl(MPa)

A-B0.22303.860.422151.49228.4751529.2851055.326

B-C0.69303.861.314151.49228.4751531.8561051.863

C-D1.18803.862.252151.49228.4751531.9371050.844

D-EL68303.863.190151.49228.4751532.5931049.251

E-D2.17803.864.127151.49228.4751532.3421048.565

D-C2.67403.865.063151.49228.4751531.1211048.849

C-B3.16903.865.999151.49228.4751530.3301048.705

B-A3.63903.866.886151.49228.4751529.6541048.493

钢束编号3

分段号X(m)0(rad)L(m)□LI(MPa)oL2(MPa)0L5(MPa)aL6(MPa)opl(MPa)

A-B0.2640.0004.760.501122.99928.4751530.6251082.399

B-€0.8390.1254.7625.062122.99928.4751533.6101054.853

C-D1.4560.2504.7649.224122,99928.4751533.9271030.374

D-E2.0670.3754.7672.904122.99928.4751533.5781007.044

E-D2.6890.5004.7696.142122.99928.4751533.568983.816

D-C3.3110.6254.76118.926122.99928.4751532.619961.980

C-B3.9330.7504.76141.267122.99928.4751532.260939.999

B-A4.5080.7504.76142.236122.99928.4751527.262944.028

钢束编号4

分段号X(m)0(rad)L(m)oLI(MPa)oL2(MPa)oL5(MPa)oL6(MPa)opl(MPa)

A-B0.4100.0004.810.777121.58428.4751534.4211079.743

B-C1.0870.1344.8127.144121.58428.4751534.9071052.891

C-D1.6160.2594.8151.106121.58428.4751534.2931029.542

D-E2.1380.3844.8174.589121.58428.4751534.5661005.786

E-D2.6730.5094.8197.642121.58428.4751535.167982.131

D-C3.2090.6344.81120.249121.58428.4751533.390961.302

C-B3.7440.7594.81142.418121.58428.4751533.566938.958

B-A4.4210.7594.81143.558121.58428.4751530.572940.811

2.4荷载工况

分别考虑了6种荷载工况

工况1,张拉预应力。设置此工况的目的是为了进行张拉预应力束阶段塔体的应力

分析，拟定合理的张拉方案，保障安全施工。

工况2,上部结构自重+张拉预应力。设置此工况的目的是为了进行张拉斜拉索前

塔体的应力分析，保障安全施工。

工况3,工况2+恒载索力。

此工况主要用于对成桥后无活载的特定工况进行考察，为施工提供参考数据，为成

桥荷载试验的超载提供依据。

工况4,主力最大索力。此工况主要是为了考察成桥营运的一般情况，索塔锚固区

的应力状态，确定合理配束量。保证适当的安全储备，进而保障成桥的安全使用。

工况5,主力+附加力最大索力。此工况主要是为了考察成桥营运时在某些可以组

合的附加力特殊情况下，索塔锚固区的应力状态处于安全状态。

工况6,主力+附加力最大索力+寒潮温度。此工况主要是为了考察成桥营运时在寒

潮温度作用组合的附加力特殊情况下，索塔锚固区的应力状态处于安全状态。

工况7,主力+附加力最大索力+整体升温20度。此工况主要是为了考察成桥营运

时在寒潮温度作用组合的附加力特殊情况下，索塔锚固区的应力状态处于安全状态。

工况8,主力+附加力最大索力+整体降温20度。此工况主要是为了考察成桥营运

时在寒潮温度作用组合的附加力特殊情况下，索塔锚固区的应力状态处于安全状态。

2.5容许应力

一、混凝土

1、容许主拉应力：

《铁路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3-2005)第6.3.12

条，C50混凝土容许主拉应力0.7fct=0.7*3.10=2.17MPa。规范规定不满足容许应力值时，

应修改截面尺寸或提高混凝土强度等级。若采用C60混凝土，容许主拉应力为

0.7fct=0.7*3.5=2.45MPao

2、容许主压应力：

对于允许开裂的结构，《铁路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土结构设计规范》(TB

10002.3-2005)没有规定。如果套用不允许出现拉应力的构件，规范第6.3.9条，主力组

合0.6fc=0.6*33.5=20.IMPa,主+附组合0.66fc=0.66*33.5=22.11MPa

3、正截面的容许压应力：

《铁路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3-2005)第6.3.10

条，C50混凝土正截面压应力，

主力组合0.5fc=0.5*33.5=16.75MPa,主+附组合0.55fc=0.55*33.5=18.425MPa

4、容许剪应力：

《铁路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3-2005)第6315

条，C50混凝土最大剪应力0.17fc=0.17*33.5=5.695MPa

5、混凝土的正截面容许拉应力(名义拉应力)：

参考《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ023-85)第5.2.33条和

5234条，部分预应力B类受弯构件的裂缝宽度，可用构件受拉边混凝土的名义拉应力

控制。

《铁路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3-2005)第6318

条，对允许开裂的预应力混凝土受弯构件，在恒载作用下，正截面混凝土受拉区压应力

(扣除全部应力损失后)不应小于LOMPa；在运营荷载作用下的特征裂缝宽度应符合

下列规定：对于主力组合，不得大于0.1mm；对于主力加附加力组合，不得大于0.15mm；

对于特种超载荷载，不得大于0.15mm。考虑到大跨度铁路斜拉桥的重要性，裂缝宽度

按0.1mm限制。则对于C50混凝土，后张构件，构件高度大于1m,混凝土容许名义拉

应力为5.0*0.7=3.5MPao这个拉应力应该对应的是正截面拉应力。

表2-4C50混凝土容许应力(MPa)

容许容许容许正截面正截面

荷载组合

主拉应力主压应力*剪应力容许压应力容许拉应力*

主力2.1720.15.69516.753.5

主+附2.1722.115.69518.4253.5

*注：容许主压应力和正截面容许拉应力供参考，不要求必须满足。

二、预应力钢筋容许应力

钢较线最大应力0.6*fpk=0.6*1860=1116MPa

3.ANSYS模型及计算结果

3.1计算模型及说明

为了能准确把握索锚固区附近塔壁应力分布情况，用实体、路径、截面等显示应力

(图中应力单位均为MPa)。其中各个符号意义表示如下：

1)实体应力云图中：SZYLx代表顺桥向正应力、SZYLy代表横桥向正应力、SZYLz

代表竖向正应力、SJYLx代表顺桥向剪应力、SJYLy代表横桥向剪应力、SJYLz代表竖

向剪应力、S1代表第一主应力、S3代表第三主应力。其中Tabi代表塔壁实体应力云图，

Chiban代表齿板应力云图。

2)断面路径的定义见图3-1-8,其中SZYLx代表顺桥向正应力、SZYLy代表横桥

向正应力、SZYLz代表竖向正应力、SJYLx代表顺桥向剪应力、SJYLy代表横桥向剪应

力、SJYLz代表竖向剪应力、S1代表第一主应力、S3代表第三主应力。断面为水平面，

竖向位置在对应塔段的中间。

3)截平面应力云图。

LevelPlan-1为竖向位置在对应塔段的中间以上0.5米处的水平截面；

LevelPIan-2为竖向位置在对应塔段的中间处的水平截面；

LevelPlan-3为竖向位置在对应塔段的中间以下0.5米处的水平截面。

VerticalPlan-1为路径1(path-1)对应的竖直截面；

VerticalPlan-2为路径2(path-2)对应的竖直截面；

VerticalPlan-3为路径3(path-3)对应的竖直截面

VerticalPlan-4为路径4(path-4)对应的竖直截面

VerticalPlan-5为路径5(path-5)对应的竖直截面

VerticalPlan-5为路径5(path-5)对应的竖直截面

VerticalPlan-6为路径6(path-6)对应的竖直截面

SZYLx代表顺桥向正应力、SZYLy代表横桥向正应力、SZYLz代表竖向正应力、

S1代表第一主应力、S3代表第三主应力。

图中标题栏意义：位置或路径一位置或路径编号一应力标识一荷载工况标识。

图3-1-1S12-S9索锚固区实体分析模型

图3-1-2预应力钢束布置图

图3-1-3轮廓线侧面图

图3-1-5轮廓线断面图

图3-1-6锚固区齿板局部

图3-1-7索力加载图

startpoint

Q-O

6

二:

前后壁

Path3恻壁

Palhl-

PalM-

图3・1・8路径位置示意图

3.2各工况计算结果

各工况计算结果见附件一（S11锚固段）。其中图标题含义见3.1节。典型位置的计

算结果见附件二。

3.3计算结果分析

3.3.1计算主要结果

预加应力阶段应力(MPa)最大索力阶段应力(MPa)

位置正应力第一主应第三主应力正应力第一主应力第三主应力

(MPa)力(MPa)(MPa)(MPa)(MPa)(MPa)

短壁外侧中点-5.56800.0120-5.5680-2.1400-0.0200-2.1410

短壁内侧中点-1.38700.3360-1.4000-2.50400.4690-6.4040

长壁外侧中点-1.95000.0140-1.9510-1.99300.0030-1.9940

长壁内侧中点-4.73600.0020-4.7370-2.63500.0000-2.6350

短壁外侧角点-1.8730-0.2310-2.2030-1.5850-0.2550-1.8450

短壁内侧角点-2.7880-0.4640-2.9280-3.8430-0.6380-3.8670

长壁外侧角点-2.99900.0580-3.5540-2.76300.0400-3.2700

长壁内侧角点-4.6690-0.5560-4.7690-2.5550-0.4720-2.6510

3.3.2主要结论

从上述分析结算结果可以看出，按修改后的钢束布置进行设计，各主要节点在最大

索力阶段的正应力大于L5MPa,主压应力小于6.4MPa,主拉应力小于0.5MPa。各项均

满足规范要求，预留量是足够的，能够保证结构的安全。

从附件一、二可以看出，索塔锚固区各个局部的拉压应力均在容许的范围之内，结

构处于安全状态。并且预压应力没有过大或钢材浪费的问题，该方案是所有方案中经济、

稳妥、安全的方案。

钢束应力最大值为1094.1MPa,满足规范要求(详细数据见附件三)。

由于该局部应力比较复杂，计算结果与实际施工有差距，为了保证结构在承载能力

和正常使用下均安全，需要施工过程进行严格控制，主要注意控制张拉的预应力大小(力

和伸长量的双重控制)，对锚具回缩量、钢绞线的松弛率等的按设计要求进行控制、对

钢绞线的位置(特别是断面上位置)进行控制。

附件1S11段局部应力图

图1SU齿板工况一S1

-5.645-4.454-3.264-2.073-.881673

-5.05-3.859-2.668-1.477-.286206

图2S11齿板工况一S3

图3SU塔段中间以上0.5米处水平截面工况一SI

图4S11塔段中间以上0.5米处水平截面工况一S3

图5S11塔段中间以上0.5米处水平截面工况一顺桥向正应力

图6S11塔段中间以上0.5米处水平截面工况一横桥向正应力

7VN

-2.699-1.583466254.6502811.767

-2.141-1.025.0920131.2092.325

图7S11塔段中间以上0.5米处水平截面工况一竖向正应力

-AN

-3.44-2.1280018.5198921.84

-2.78-1.46-,1401441.182.5

图8S11塔段中间水平截面工况一S1

图9SU塔段中间水平截面工况一S3

图10S11塔段中间水平截面工况一顺桥向正应力

1

-14-874-10.68-6.485-2.2911.903

-12.777-8.583-4.388-.194174

图11S11塔段中间水平截面工况一横桥向正应力

图12S11塔段中间水平截面工况一竖向正应力

AN

-2.296-1.23-.1645.90131.967

-1.763-.6974.36841.4342.5

图13SU塔段中间以下0.5米处水平截面工况一SI

图14S11塔段中间以下0.5米处水平截面工况一S3

图15S11塔段中间以下0.5米处水平截面工况一顺桥向正应力

图16S11塔段中间以下0.5米处水平截面工况一横桥向正应力

图17SU塔段中间以下0.5米处水平截面工况一竖向正应力

-AN

S3

SZYLX

SZYLY

1.52.53.54.5

DistToStartpoint(m)

图18Sil工况一Path-1

S3

SZYLX

SZYLY

图19Sil工况一Palh-2

-AN

S3

SZYLX

SZYLY

1.52.53.54.5

DistToStartpoint(m)

图20Sil工况一Path-3

S3

SZYLX

SZYLY

DistToStartpoint(m)

图21Sil工况一Palh-4

S3

SZYLX

SZYLY

.752.253.755.256.75

DistToStartpoint(m)

图22Sil工况一Path-5

AN

S3

SZYLX

SZYLY

.752.253.755.256.75

DistToStartpoint(m)

图23Sil工况一Path-6

AN

图24Sil台壁工况一SI

图25S11台壁工况一S3

图26S11台壁工况一顺桥向剪应力

图27S11台壁工况一横桥向剪应力

1

图28S11台壁工况一竖向剪应力

图29S11台壁工况一顺桥向正应力

图30S11台壁工况一横桥向正应力

1

图31S11台壁工况一竖向正应力

图32Silpath-1竖直截面工况一S1

图33Silpath-1竖直截面工况一S3

图34Silpath-1竖直截面工况一顺桥向正应力

图35Silpath-1竖直截面工况一横桥向正应力

Z

-2.699-1.593-.485686.6211331.728

-2.146-1.039.0677231.1752.281

图36Silpath-1竖直截面工况一竖向正应力

1

图37SI1path-2竖直截面工况一SI

图38Silpath-2竖直截面工况一S3

图39Silpath-2竖直截面工况一顺桥向正应力

图40Silpath-2竖直截面工况一横桥向正应力

图41Silpath-2竖直截面工况一竖向正应力

图42Silpath-3竖直截面工况一S1

图43Silpath-3竖直截面工况一S3

图44Silpath-3竖直截面工况一顺桥向正应力

图45Silpath-3竖直截面工况一横桥向正应力

图46Silpath-3竖直截面工况一竖向正应力

-AN

z

-1.321-.471712.3773491.2262.075

-.896242-.047181.8018791.6512.5

图47SI1path-4竖直截面工况一SI

图48Silpath-4竖直截面工况一S3

图49Silpath-4竖直截面工况一顺桥向正应力

图50Silpath-4竖直截面工况一横桥向正应力

图51Silpath-4竖直截面工况一竖向正应力

图52Silpath-5竖直截面工况一S1

1

图53SI1path-5竖直截面工况一S3

图54Silpath-5竖直截面工况一顺桥向正应力

图55Silpath-5竖直截面工况一横桥向正应力

图56Silpath-5竖直截面工况一竖向正应力

-.896242-.047181.8018791.651

图57SI1path-6竖直截面工况一S1

图58Silpath-6竖直截面工况一S3

图59Silpath-6竖直截面工况一顺桥向正应力

-13.315-9.467-5.619-1.7722.076

-11.391-7.543-3.695.1522934

图60Silpath-6竖直截面工况一横桥向正应力

图61Silpath-6竖直截面工况一竖向正应力

图62S1I齿板工况二S1

图63S11齿板工况二S3

图64S11塔段中间以上0.5米处水平截面工况二S1

-13.442-10.507-7.573-4.639-1.705

-11.974-9.04-6.106-3.172-.237407

图65S11塔段中间以上0.5米处水平截面工况二S3

图66S11塔段中间以上0.5米处水平截面工况二顺桥向正应力

图67S11塔段中间以上0.5米处水平截面工况二横桥向正应力

图68S11塔段中间以上0.5米处水平截面工况二竖向正应力

图69S11塔段中间水平截面工况二SI

图70S11塔段中间水平截面工况二S3

图71S11塔段中间水平截面工况二顺桥向正应力

图72S11塔段中间水平截面工况二横桥向正应力

-AN

-3.887-2.779-1.67-.562324.545801

-3.333-2.225-1.116-.0082611.1

图73Sil塔段中间水平截面工况二竖向正应力

-AN

-2.991-1.771-.550542.6696751.89

-2.381-1.161.0595661.282.5

图74S11塔段中间以下0.5米处水平截面工况二S1

图75S11塔段中间以下0.5米处水平截面工况二S3

图76S11塔段中间以下0.5米处水平截面工况二顺桥向正应力

图77S11塔段中间以下0.5米处水平截面工况二横桥向正应力

图78S11塔段中间以下0.5米处水平截面工况二竖向正应力

S3

SZYLX

SZYLY

1.52.53.54.5

DistToStartpoint(m)

图79Sil工况二Path-1

-AN

S3

SZYLX

SZYLY

.752.253.755.256.75

DistToStartpoint(m)

图80Sil工况二Path-2

S3

SZYLX

SZYLY

1.52.53.54.5

DistToStartpoint(m)

图81Sil工况二Path-3

S3

SZYLX

SZYLY

图82Sil工况二Path-4

-AN

S3

SZYLX

SZYLY

.752.253.755.256.75

DistToStartpoint(m)

图83Sil工况二Path-5

-AN

S3

SZYLX

SZYLY

.752.253.755.256.75

DistToStart