拱塔斜拉桥索塔锚固区应力分析

郝 翠, 王建国, 曹新垒

(1.安徽省交通规划设计研究院,安徽 合肥 230088;2.合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽合肥 230009)

斜拉桥[1,2]索塔作为其主要受力构件之一,承受巨大的轴向压力及斜拉索拉力的作用,其应力分布和传递十分复杂。为平衡拉索水平分力,通常在塔柱的拉索锚固区布置预应力钢束,常用的有大吨位、小半径的U形(环形)预应力束布置和精扎螺纹钢筋井字形直束预应力布置[3-5],设置锚固钢横梁及安装钢锚箱等。

预应力混凝土拱塔斜拉桥在国内外尚为少见,相关建设及施工资料较少。本文运用空间有限元方法,结合某拱塔斜拉桥,对其预应力混凝土空心矩形索塔进行了三维应力分析,获得了锚固区局部应力大小及分布规律,为锚固区配束提供理论参考。该桥为三塔双索面预应力混凝土斜拉桥,为半漂浮结构体系,桥跨布置为120 m+2×26 m+120 m,如图1所示。桥梁全宽35.3 m,双向6车道。主梁采用预应力混凝土双边箱梁,梁高3.2 m。顺桥向为3个不等高的拱形主塔,中塔总高106 m,桥面以上高76 m,每个边塔的总高为88 m,桥面以上高61 m。拉索塔上标准间距为2.0 m,塔壁配置双向井字型精轧螺纹预应力粗钢筋(顺桥向和横桥向)。预应力筋均采用一端张拉,张拉吨位为673 kN。

图1 总体布置图

1 空间有限元模型

计算分析中选取中塔索力最大的3个节段,总高度为8.0 m。顺桥向为z方向,横桥向为x方向,竖向为y方向。以中间节段(C19)作为基准节段,研究拉索、预应力作用的荷载效应分布及其相互作用。中塔示意图及其截面尺寸如图2、图3所示。

图2 索塔示意图

图3 塔柱截面尺寸

1.1 有限元离散

有限元计算采用大型通用有限元程序ANSYS 10.0。在对模型进行有限元离散时计入塔前壁斜拉索锚固齿槽和斜拉索预留孔,齿槽和预留孔的位置、尺寸均与实际结构一致。根据索塔锚固区的构造特点,有限元模型采用8节点三维实体单元SOLID45模拟塔体,LINK10单元模拟钢束。自由划分网格,网格划分采用四面体和六面体单元,此模型共离散为67 486个节点,356 317个单元。材料特性做以下简化:塔壁按各向同性的匀质弹性体考虑,未计入劲性骨架及普通钢筋。塔体混凝土(C55)弹性模量 Ec=3.55×104MPa,泊松比 μ=0.2;预应力钢筋采用直径32 mm预应力高强精扎螺纹粗钢筋,fpk=930 MPa,线膨胀系数 α=1.2×10-5。塔身精扎螺纹钢预应力钢筋的布置示意图及节段模型如图4、图 5 所示。

图4 精扎螺纹粗钢筋布置图

图5 节段模型图

1.2 边界条件

对于该模型作如下考虑:忽略节段上、下部分混凝土的横向约束和纵向约束,只在底面施加竖向约束[6-8]。这是由于节段上方混凝土约束作用较小、自重较小;而节段下方混凝土由于作用了井字形精扎螺纹钢预应力,在其作用下有向内缩的变形,若在横桥向和顺桥向施加约束,反而会导致加约束部位的预应力储备偏低。

1.3 荷载及荷载工况

考虑索塔节段自重、索力以及精扎螺纹钢预应力等的作用。

1.3.1 预应力

精扎螺纹钢预应力钢筋的材料和截面面积均按施工图取得。精扎螺纹钢预应力按90%标准强度进行张拉。考虑到ANSYS无法自动计算预应力损失,通过整体计算发现其预应力损失大致为40%(包含了孔道摩擦及回缩引起的预应力损失等),故计算时精扎螺纹钢预应力钢筋实际张拉力按54%计入。考虑混凝土与精扎螺纹钢分开建模,采用降温法模拟预应力张拉,即将损失后的钢束内力以降温的形式加在LINK10单元中。塔身精扎螺纹钢的降温为:

1.3.2 拉索索力

索力由平面有限元计算程序桥梁博士3.2.0求得,取最不利组合值,尾索索力N1=7 450 kN,依次往下N2=7 200 kN、N3=7 050 kN。索力以面力的形式作用在锚垫板扣除索孔面积以外的部分,其方向与索力实际方向一致。

1.3.3 荷载工况

为了详细了解锚固区在施工过程、运营阶段的应力状态以及预应力和索力的荷载效应分布情况,本文考虑5种荷载工况:工况1,张拉基准节段拉索索力,研究索力作用下节段模型应力分布及其沿高度衰减规律;工况2,张拉全部索力(为虚拟工况),研究索力作用下塔体受力特点,为合理布束提供依据;工况3,仅张拉基准节段范围内的精扎螺纹钢预应力粗钢筋,研究预应力作用下节段模型应力分布及其沿高度衰减规律;工况4,张拉全部预应力,研究预应力作用下塔体受力特点;工况5,张拉全部预应力,并施加全部索力,研究各对斜拉索作用的相互影响及其在高度方向的分布。

2 计算分析

在对预应力索塔锚固区的空间有限元分析时,节点很多,但是根据模型结构的受力特点,模型在荷载作用下的最危险截面为边界面,即侧墙和锚固墙的前后壁。以下的分析主要讨论边界面的应力分布情况,在锚固墙和侧墙内外壁自上而下选取24个点,点号为1～24。工况1和工况3作用下,锚固区墙和侧墙的正应力和主应力分别如图6、图7所示,图1中σ1为主拉应力,σ3为主压应力。

由图6可看出,工况1下,,锚固墙受力最为不利,由于应力扩散,在距离拉索索力作用位置一定长度之外,应力呈现衰减趋势,而且衰减得很快。锚固墙外侧基本为拉应力,内侧最大拉应力达到2.00 MPa。锚固墙外侧沿横桥向在拉索索孔出口上下索孔之间为拉应力区,最大可达到4.10 MPa;锚固墙内侧沿横桥向基本为压应力,锚下混凝土压应力较大,最大可达到8.30 MPa。侧墙内外均出现拉应力。从正应力与主应力的关系可知,索塔锚固区仅在拉索索力作用下的受力以主应力为主。

图6 工况1作用下锚固墙和侧墙应力图

工况2作用全部索力,侧墙外壁拉应力可达1.06 MPa(基准节段锚固区范围内,较工况1拉应力增大0.38 MPa),内壁为拉应力,最大发生在侧墙与倒角交接处(4.72 MPa);锚固墙外侧的孔口上缘出现8.40 MPa的拉应力(基准节段)。基准节段锚块与索塔交接处上缘拉应力可达3.25 MPa(下侧锚块处为1.95 MPa)、基准段锚块下缘混凝土压应力为4.95 MPa(下侧锚块处为1.85 MPa)。

由图7可看出,工况3下,模型节段高度增加后,由于应力扩散,在一定高度之外,应力呈现衰减趋势,因此可以认为索塔锚固区节段分析模型所取节段长度是合适的。由图7b可知,精轧螺纹钢预应力粗钢筋附加拉应力并不因为模型高度的增加而减小,其最大拉应力可达1.50 MPa。锚固墙及侧墙内、外基本为压应力,在预应力作用范围内压应力较大,可见配置井字形直束预应力将对拉索索力产生的拉应力有抵消作用。预应力锚固位置出现应力集中,但向四周扩散得很快。从正应力与主应力的关系可知,索塔锚固区仅在预应力作用下的受力以主应力为主。

工况4作用下结构受力状态得到改善。侧墙内、外壁均为压应力(-8.07 MPa、-8.05 MPa),锚固墙外侧的孔口上下侧均出现较大压应力(-14.40 MPa),可以有效抵消拉索索力的作用。

工况5为成桥运营状态,塔壁保持压力状态。侧墙前后壁基本为受压状态,其与倒角交接处仍出现较大拉应力(3.90 MPa)。锚固墙外侧索孔周围压应力(-0.80 MPa)较小,这表明索孔对塔壁的削弱效应是不能忽视的,在拉索导管周围进行局部加强的配筋应考虑到外侧的拉应力集中。锚块上方混凝土在沿高度方向出现较大拉应力(5.80 MPa),而下方混凝土压应力较大(8.40 MPa),考虑有重力的挤压效果和竖向钢筋的配置,并且计算模型在此部位没有加入定位钢筋的作用,可以满足要求。

5种荷载工况下各控制点的应力见表1所列。“+”表示拉应力,“-”表示压应力。

图7 工况3作用下锚固墙和侧墙应力图

表1 索塔各控制点应力 MPa

计算分析表明:

(1)在拉索荷载作用下,侧墙拉应力主要受z方向应力σz控制,最大拉应力发生在侧墙与倒角交接处;锚固墙主要受 x方向应力σx控制,最大拉应力发生在锚固墙外侧的孔口上、下缘。在布置预应力钢束时,应注意位置压应力的储备。

(2)精扎螺纹钢预应力对索塔锚固区应力改善明显,工程中可以考虑使用精扎螺纹钢预应力来平衡拉索水平分力,从而优化截面内力。采用的井字形预应力束靠近塔壁布设,减小塔壁的弯曲应力和剪应力,使塔壁受力均匀。

(3)拉索索力及预应力单独作用时,由正应力与主应力的关系可知,索塔锚固区的受力以主应力为主,即只要控制索塔锚固区主应力分布,索塔锚固区的受力就可得到有效控制。

(4)实际分析计算中可采用控制边界面上几个主要应力控制点的方法对模型应力进行控制。对于空心矩形索塔锚固区应力控制点有:侧墙与倒角交接处的σz和锚固墙外侧的孔口上、下缘任一点的应力σx等,以及锚块上方混凝土沿高度方向应力σy。

3 结束语

采用本文计算分析方法可以对索塔锚固区局部应力进行仿真分析,满足工程要求的精度。侧墙与倒角交接处和锚固墙外壁出现拉应力,且因空心矩形截面的不同而导致应力分布的不同,在这些位置削弱作用明显,易出现拉应力集中。在预应力束布置时,应充分考虑这2处的压力储备,同时也应考虑预应力对结构产生局部拉应力增大的情况。精扎螺纹预应力钢筋可以改善整个锚固区的应力分布,实际工程中应合理布置预应力钢束,以期优化整个锚固区的应力分布。施工中,应对精扎螺纹钢粗钢筋的预应力损失做现场试验,研究其张拉力的损失,以保证实际与计算模型之间的一致性。

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