郝 翠, 王建國, 曹新壘

(1.安徽省交通規(guī)劃設計研究院,安徽 合肥 230088;2.合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院,安徽合肥 230009)

斜拉橋[1,2]索塔作為其主要受力構件之一,承受巨大的軸向壓力及斜拉索拉力的作用,其應力分布和傳遞十分復雜。為平衡拉索水平分力,通常在塔柱的拉索錨固區(qū)布置預應力鋼束,常用的有大噸位、小半徑的U形(環(huán)形)預應力束布置和精扎螺紋鋼筋井字形直束預應力布置[3-5],設置錨固鋼橫梁及安裝鋼錨箱等。

預應力混凝土拱塔斜拉橋在國內(nèi)外尚為少見,相關建設及施工資料較少。本文運用空間有限元方法,結合某拱塔斜拉橋,對其預應力混凝土空心矩形索塔進行了三維應力分析,獲得了錨固區(qū)局部應力大小及分布規(guī)律,為錨固區(qū)配束提供理論參考。該橋為三塔雙索面預應力混凝土斜拉橋,為半漂浮結構體系,橋跨布置為120 m+2×26 m+120 m,如圖1所示。橋梁全寬35.3 m,雙向6車道。主梁采用預應力混凝土雙邊箱梁,梁高3.2 m。順橋向為3個不等高的拱形主塔,中塔總高106 m,橋面以上高76 m,每個邊塔的總高為88 m,橋面以上高61 m。拉索塔上標準間距為2.0 m,塔壁配置雙向井字型精軋螺紋預應力粗鋼筋(順橋向和橫橋向)。預應力筋均采用一端張拉,張拉噸位為673 kN。

圖1 總體布置圖

1 空間有限元模型

計算分析中選取中塔索力最大的3個節(jié)段,總高度為8.0 m。順橋向為z方向,橫橋向為x方向,豎向為y方向。以中間節(jié)段(C19)作為基準節(jié)段,研究拉索、預應力作用的荷載效應分布及其相互作用。中塔示意圖及其截面尺寸如圖2、圖3所示。

圖2 索塔示意圖

圖3 塔柱截面尺寸

1.1 有限元離散

有限元計算采用大型通用有限元程序ANSYS 10.0。在對模型進行有限元離散時計入塔前壁斜拉索錨固齒槽和斜拉索預留孔,齒槽和預留孔的位置、尺寸均與實際結構一致。根據(jù)索塔錨固區(qū)的構造特點,有限元模型采用8節(jié)點三維實體單元SOLID45模擬塔體,LINK10單元模擬鋼束。自由劃分網(wǎng)格,網(wǎng)格劃分采用四面體和六面體單元,此模型共離散為67 486個節(jié)點,356 317個單元。材料特性做以下簡化:塔壁按各向同性的勻質(zhì)彈性體考慮,未計入勁性骨架及普通鋼筋。塔體混凝土(C55)彈性模量 Ec=3.55×104MPa,泊松比 μ=0.2;預應力鋼筋采用直徑32 mm預應力高強精扎螺紋粗鋼筋,fpk=930 MPa,線膨脹系數(shù) α=1.2×10-5。塔身精扎螺紋鋼預應力鋼筋的布置示意圖及節(jié)段模型如圖4、圖 5 所示。

圖4 精扎螺紋粗鋼筋布置圖

圖5 節(jié)段模型圖

1.2 邊界條件

對于該模型作如下考慮:忽略節(jié)段上、下部分混凝土的橫向約束和縱向約束,只在底面施加豎向約束[6-8]。這是由于節(jié)段上方混凝土約束作用較小、自重較小;而節(jié)段下方混凝土由于作用了井字形精扎螺紋鋼預應力,在其作用下有向內(nèi)縮的變形,若在橫橋向和順橋向施加約束,反而會導致加約束部位的預應力儲備偏低。

1.3 荷載及荷載工況

考慮索塔節(jié)段自重、索力以及精扎螺紋鋼預應力等的作用。

1.3.1 預應力

精扎螺紋鋼預應力鋼筋的材料和截面面積均按施工圖取得。精扎螺紋鋼預應力按90%標準強度進行張拉。考慮到ANSYS無法自動計算預應力損失,通過整體計算發(fā)現(xiàn)其預應力損失大致為40%(包含了孔道摩擦及回縮引起的預應力損失等),故計算時精扎螺紋鋼預應力鋼筋實際張拉力按54%計入?？紤]混凝土與精扎螺紋鋼分開建模,采用降溫法模擬預應力張拉,即將損失后的鋼束內(nèi)力以降溫的形式加在LINK10單元中。塔身精扎螺紋鋼的降溫為:

1.3.2 拉索索力

索力由平面有限元計算程序橋梁博士3.2.0求得,取最不利組合值,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錨墊板扣除索孔面積以外的部分,其方向與索力實際方向一致。

1.3.3 荷載工況

為了詳細了解錨固區(qū)在施工過程、運營階段的應力狀態(tài)以及預應力和索力的荷載效應分布情況,本文考慮5種荷載工況:工況1,張拉基準節(jié)段拉索索力,研究索力作用下節(jié)段模型應力分布及其沿高度衰減規(guī)律;工況2,張拉全部索力(為虛擬工況),研究索力作用下塔體受力特點,為合理布束提供依據(jù);工況3,僅張拉基準節(jié)段范圍內(nèi)的精扎螺紋鋼預應力粗鋼筋,研究預應力作用下節(jié)段模型應力分布及其沿高度衰減規(guī)律;工況4,張拉全部預應力,研究預應力作用下塔體受力特點;工況5,張拉全部預應力,并施加全部索力,研究各對斜拉索作用的相互影響及其在高度方向的分布。

2 計算分析

在對預應力索塔錨固區(qū)的空間有限元分析時,節(jié)點很多,但是根據(jù)模型結構的受力特點,模型在荷載作用下的最危險截面為邊界面,即側墻和錨固墻的前后壁。以下的分析主要討論邊界面的應力分布情況,在錨固墻和側墻內(nèi)外壁自上而下選取24個點,點號為1～24。工況1和工況3作用下,錨固區(qū)墻和側墻的正應力和主應力分別如圖6、圖7所示,圖1中σ1為主拉應力,σ3為主壓應力。

由圖6可看出,工況1下,,錨固墻受力最為不利,由于應力擴散,在距離拉索索力作用位置一定長度之外,應力呈現(xiàn)衰減趨勢,而且衰減得很快。錨固墻外側基本為拉應力,內(nèi)側最大拉應力達到2.00 MPa。錨固墻外側沿橫橋向在拉索索孔出口上下索孔之間為拉應力區(qū),最大可達到4.10 MPa;錨固墻內(nèi)側沿橫橋向基本為壓應力,錨下混凝土壓應力較大,最大可達到8.30 MPa。側墻內(nèi)外均出現(xiàn)拉應力。從正應力與主應力的關系可知,索塔錨固區(qū)僅在拉索索力作用下的受力以主應力為主。

圖6 工況1作用下錨固墻和側墻應力圖

工況2作用全部索力,側墻外壁拉應力可達1.06 MPa(基準節(jié)段錨固區(qū)范圍內(nèi),較工況1拉應力增大0.38 MPa),內(nèi)壁為拉應力,最大發(fā)生在側墻與倒角交接處(4.72 MPa);錨固墻外側的孔口上緣出現(xiàn)8.40 MPa的拉應力(基準節(jié)段)?；鶞使?jié)段錨塊與索塔交接處上緣拉應力可達3.25 MPa(下側錨塊處為1.95 MPa)、基準段錨塊下緣混凝土壓應力為4.95 MPa(下側錨塊處為1.85 MPa)。

由圖7可看出,工況3下,模型節(jié)段高度增加后,由于應力擴散,在一定高度之外,應力呈現(xiàn)衰減趨勢,因此可以認為索塔錨固區(qū)節(jié)段分析模型所取節(jié)段長度是合適的。由圖7b可知,精軋螺紋鋼預應力粗鋼筋附加拉應力并不因為模型高度的增加而減小,其最大拉應力可達1.50 MPa。錨固墻及側墻內(nèi)、外基本為壓應力,在預應力作用范圍內(nèi)壓應力較大,可見配置井字形直束預應力將對拉索索力產(chǎn)生的拉應力有抵消作用。預應力錨固位置出現(xiàn)應力集中,但向四周擴散得很快。從正應力與主應力的關系可知,索塔錨固區(qū)僅在預應力作用下的受力以主應力為主。

工況4作用下結構受力狀態(tài)得到改善。側墻內(nèi)、外壁均為壓應力(-8.07 MPa、-8.05 MPa),錨固墻外側的孔口上下側均出現(xiàn)較大壓應力(-14.40 MPa),可以有效抵消拉索索力的作用。

工況5為成橋運營狀態(tài),塔壁保持壓力狀態(tài)。側墻前后壁基本為受壓狀態(tài),其與倒角交接處仍出現(xiàn)較大拉應力(3.90 MPa)。錨固墻外側索孔周圍壓應力(-0.80 MPa)較小,這表明索孔對塔壁的削弱效應是不能忽視的,在拉索導管周圍進行局部加強的配筋應考慮到外側的拉應力集中。錨塊上方混凝土在沿高度方向出現(xiàn)較大拉應力(5.80 MPa),而下方混凝土壓應力較大(8.40 MPa),考慮有重力的擠壓效果和豎向鋼筋的配置,并且計算模型在此部位沒有加入定位鋼筋的作用,可以滿足要求。

5種荷載工況下各控制點的應力見表1所列?！?”表示拉應力,“-”表示壓應力。

圖7 工況3作用下錨固墻和側墻應力圖

表1 索塔各控制點應力 MPa

計算分析表明:

(1)在拉索荷載作用下,側墻拉應力主要受z方向應力σz控制,最大拉應力發(fā)生在側墻與倒角交接處;錨固墻主要受 x方向應力σx控制,最大拉應力發(fā)生在錨固墻外側的孔口上、下緣。在布置預應力鋼束時,應注意位置壓應力的儲備。

(2)精扎螺紋鋼預應力對索塔錨固區(qū)應力改善明顯,工程中可以考慮使用精扎螺紋鋼預應力來平衡拉索水平分力,從而優(yōu)化截面內(nèi)力。采用的井字形預應力束靠近塔壁布設,減小塔壁的彎曲應力和剪應力,使塔壁受力均勻。

(3)拉索索力及預應力單獨作用時,由正應力與主應力的關系可知,索塔錨固區(qū)的受力以主應力為主,即只要控制索塔錨固區(qū)主應力分布,索塔錨固區(qū)的受力就可得到有效控制。

(4)實際分析計算中可采用控制邊界面上幾個主要應力控制點的方法對模型應力進行控制。對于空心矩形索塔錨固區(qū)應力控制點有:側墻與倒角交接處的σz和錨固墻外側的孔口上、下緣任一點的應力σx等,以及錨塊上方混凝土沿高度方向應力σy。

3 結束語

采用本文計算分析方法可以對索塔錨固區(qū)局部應力進行仿真分析,滿足工程要求的精度。側墻與倒角交接處和錨固墻外壁出現(xiàn)拉應力,且因空心矩形截面的不同而導致應力分布的不同,在這些位置削弱作用明顯,易出現(xiàn)拉應力集中。在預應力束布置時,應充分考慮這2處的壓力儲備,同時也應考慮預應力對結構產(chǎn)生局部拉應力增大的情況。精扎螺紋預應力鋼筋可以改善整個錨固區(qū)的應力分布,實際工程中應合理布置預應力鋼束,以期優(yōu)化整個錨固區(qū)的應力分布。施工中,應對精扎螺紋鋼粗鋼筋的預應力損失做現(xiàn)場試驗,研究其張拉力的損失,以保證實際與計算模型之間的一致性。

[1]劉士林,王似舜.斜拉橋設計[M].北京:人民交通出版社,2006:38-40.

[2]項海帆.高等橋梁結構理論[M].上海:同濟大學出版社,2001:282-283.

[3]邵旭東,增田勝,李立峰,等.斜拉橋預應力索塔優(yōu)化布束方式研究[J].中國公路學報,2001,14(2):40-44.

[4]余報楚,張 哲,張洪金.金馬大橋主塔直束預應力筋設計技術與研究分析[J].公路交通科技,2005,22(5):104-107.

[5]韓富慶,楊成斌,婁 建,等.安慶長江公路大橋索塔錨固區(qū)受力分析[J].合肥工業(yè)大學學報:自然科學版,2002,25(6):1167-1170.

[6]劉 智.潤揚大橋斜拉橋預應力混凝土索塔節(jié)段試驗研究[D].東南大學土木工程學院,2003.

[7]吳立強.三塔斜拉橋拉索錨固區(qū)應力分析及足尺模型試驗研究[D].山東大學土建與水利學院,2007.

[8]金文成,張曉飛,簡方梁,等.斜拉橋塔索錨固區(qū)空間應力分析[J].公路交通科技,2007,24(9):69-73.