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        大跨鐵路斜拉橋索塔環(huán)向預(yù)應(yīng)力布束方案計(jì)算比較研究

        2012-08-02 08:42:48魯志強(qiáng)
        關(guān)鍵詞:主壓鋼束拉索

        魯志強(qiáng),陳 松

        (1.中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,昆明 650200;2.中鐵二局集團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,成都 610031)

        1 概述

        某在建鐵路斜拉橋?yàn)殡p塔雙索面鋼桁梁斜拉橋,跨徑81 m+135 m+432 m+135 m+81 m,邊跨設(shè)置2個輔助墩,半漂浮體系,塔墩固結(jié),塔梁分離,主梁與橋塔之間設(shè)置支座約束主梁豎向及橫向位移,縱橋向設(shè)置鎖定裝置。主塔順橋向?yàn)閱沃?,橫橋向?yàn)榛ㄆ啃?折線H形),小里程主塔總高為190.0 m,大里程主塔總高為192.0 m,其中下橫梁以上塔高123.5 m,塔冠裝飾部分高8 m。塔柱采用空心矩形截面,縱橋向尺寸上塔柱為7.5 m、中塔柱由7.5 m漸變到9 m,主塔下塔柱由9 m漸變到13 m,橫向尺寸上中塔柱為5.0 m,下塔柱由5.0 m變化到9.3 m,橫橋向兩塔柱中心距為18 m。主橋采用兩片主桁,N形桁架梁,桁寬18 m,桁高14 m,節(jié)間距13.5 m,斜拉索布置為平行扇形雙索面,采用環(huán)氧涂層高強(qiáng)鋼絲索,全橋共56對斜拉索。鋼桁梁上索距均為13.5 m,塔上錨固區(qū)索距為2.5~4 m,斜拉索傾角為 26.5°~65°,索孔直徑0.377~0.402 m;上塔柱截面縱橋向邊長7.5 m,橫橋向邊長5 m,順橋向厚度1.4 m,橫橋向厚度1 m,外側(cè)倒角為0.6 m×0.6 m,內(nèi)側(cè)倒角為0.6 m×0.4 m,錨固部位設(shè)齒塊與平面預(yù)應(yīng)力鋼束。主塔及斜拉索布置見圖1。

        2 鋼束布置方案設(shè)計(jì)及計(jì)算特征點(diǎn)選取

        (1)方案一:橫橋向開口U形預(yù)應(yīng)力鋼束布置見圖2,有限元模型見圖3。

        圖1 主塔及斜拉索布置(單位:cm)

        圖2 橫橋向開口U形預(yù)應(yīng)力鋼束布置(單位:cm)

        圖3 有限元模型

        (2)方案二:縱橋向開口U形預(yù)應(yīng)力鋼束布置見圖4,有限元模型見圖5。

        圖4 縱橋向開口U形預(yù)應(yīng)力鋼束布置(單位:cm)

        圖5 有限元模型

        (3)計(jì)算特征點(diǎn)選取

        分析段有限元模型計(jì)算特征點(diǎn)[1]選取:截取分析段索孔中心處水平面,沿塔壁外側(cè)、內(nèi)側(cè)及中間均勻選取若干點(diǎn)為計(jì)算特征點(diǎn),選取結(jié)果如下(圖6)。

        外側(cè)特征點(diǎn):1,2,3,4,19,20,21,22;

        內(nèi)側(cè)特征點(diǎn):8,9,10,11,12,13,14,15;

        中間特征點(diǎn):5,6,7,16,17,18。

        圖6 索孔中心平剖面特征點(diǎn)選取示意

        3 索塔空間有限元模型

        3.1 模型參數(shù)取值

        通過斜拉橋整體分析確定最不利荷載工況索力對應(yīng)的索塔部位,分析時取該部位索塔節(jié)段來模擬。為了盡量減少模擬邊界條件與實(shí)際情況差異,提高精度并減少計(jì)算時間,本次分析采用最不利索力對應(yīng)塔段4個節(jié)段(即S11~S14)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算節(jié)段共有4對斜拉索,相應(yīng)立面有4段預(yù)應(yīng)力鋼束,不考慮索塔普通鋼筋作用,最后取其中一個節(jié)段(即S12)進(jìn)行分析研究[2]?;炷梁湾^墊板、錨圈采用塊體單元SOLID45模擬、混凝土用C50,彈性模量E取3.55×104MPa,泊松比為 0.2,密度為 25.5 kN/m3,線膨脹系數(shù)取0.000 01,錨墊板與錨圈取鋼材彈模2.1×105MPa,密度為78.5 kN/m3,泊松比為0.3。

        3.2 索力及邊界條件處理

        斜拉索索力按多種不利荷載工況及其組合中得到的最大索力取值;錨具采用LZM7-337,錨墊板尺寸為0.7 m×0.7 m,呈矩形狀;預(yù)埋鋼管內(nèi)徑0.38 m,錨圈外徑0.47 m,錨圈高度0.2 m,拉索孔道斜向布置,拉索索力以面力施加在錨圈承壓面上[3]。

        考慮索塔節(jié)段本身及塔頂自重傳遞的壓力,以面荷載施加在索塔節(jié)段模型頂面,對節(jié)段模型底部進(jìn)行固結(jié)處理[2]。

        3.3 預(yù)應(yīng)力處理

        預(yù)應(yīng)力鋼束作用采用LINK8單元模擬,以鋼束單元節(jié)點(diǎn)和混凝土單元節(jié)點(diǎn)耦合的方式來模擬預(yù)應(yīng)力筋與混凝土的共同作用。鋼束采用高強(qiáng)低松弛鋼絞線,標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa,彈性模量為1.95×105MPa,U形束采用12-φ15.2 mm鋼絞線,錨下設(shè)計(jì)張拉控制力1 302 MPa。按《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.3—2005)規(guī)定估算下列因素引起的預(yù)應(yīng)力損失值:預(yù)應(yīng)力筋與管道壁之間的摩阻,錨具變形及鋼筋回縮,混凝土的彈性壓縮,預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力松弛,混凝土的收縮和徐變。將每根鋼束分成若干段,分別計(jì)算各段鋼束預(yù)應(yīng)力損失,得到鋼束各段有效預(yù)應(yīng)力值,并以分段施加單元初應(yīng)變的形式模擬預(yù)應(yīng)力束對模型的作用。

        3.4 計(jì)算工況

        工況1:預(yù)應(yīng)力+塔段自重;

        工況2:預(yù)應(yīng)力+塔段自重+主力+附加力組合最大索力。

        索力按整體有限元模型計(jì)算分析取得,具體結(jié)果見表1。

        表1 最大索力 kN

        3.5 有限元模型

        實(shí)體及有限元模型如圖7所示:每個節(jié)點(diǎn)3個自由度,其中X為縱橋向(側(cè)壁方向),Y為橫橋向(前壁方向),Z為豎向,長度單位為m,應(yīng)力單位為MPa,S1為第一主應(yīng)力,S3為第三主應(yīng)力,其中符號規(guī)定:拉應(yīng)力為正,壓應(yīng)力為負(fù)。

        圖7 索塔錨固區(qū)節(jié)段實(shí)體及有限元模型

        4 計(jì)算結(jié)果分析

        本文仿真模型為四節(jié)段三維有限元模型,在4對斜拉索錨固區(qū)施加相應(yīng)大小的索力,但主要針對其中一個節(jié)段(S12)進(jìn)行分析研究,以下計(jì)算結(jié)果均對應(yīng)該節(jié)段模型。在上述2種荷載工況作用下進(jìn)行了分析比較,主要針對工程上對混凝土設(shè)計(jì)較為關(guān)心的主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力[3]。

        4.1 橫橋向開口U束布置計(jì)算結(jié)果

        4.1.1 工況1作用下

        (1)第一主應(yīng)力(S1)分布

        由圖8可以看出,在預(yù)應(yīng)力與自重作用下,除個別點(diǎn)第一主應(yīng)力較大外,分析段第一主應(yīng)力基本在0值附近,分布在-0.65~1.82 MPa。第一主應(yīng)力較大部分主要位于斜拉索錨固齒塊與內(nèi)壁交界處。另外,鋼束錨固點(diǎn)存在應(yīng)力集中,由壓應(yīng)力過渡至拉應(yīng)力,產(chǎn)生主拉應(yīng)力,最大值達(dá)4.8 MPa,由于鋼束預(yù)應(yīng)力是直接作用在模型上,而實(shí)際工程中由于錨墊板的存在,故應(yīng)力集中數(shù)值會大大減小。特征點(diǎn)第一主應(yīng)力計(jì)算見表2。

        圖8 第一主應(yīng)力云圖

        表2 工況1作用下特征點(diǎn)計(jì)算應(yīng)力值 MPa

        (2)第三主應(yīng)力(S3)分布

        圖9 第三主應(yīng)力云圖

        由圖9可以看出,在預(yù)應(yīng)力與自重作用下,分析段完全受壓。除個別點(diǎn)應(yīng)力集中外,其他絕大部分第三主應(yīng)力分布在-5.85~-1.77 MPa。很明顯,側(cè)壁內(nèi)側(cè)主壓應(yīng)力要大于外側(cè)主壓應(yīng)力,而前壁則相反,外側(cè)主壓應(yīng)力較大,斜拉索錨墊板下方區(qū)域主壓應(yīng)力最小。應(yīng)力集中處位于外壁索孔上下緣附近,最大主壓應(yīng)力值達(dá)-16.8 MPa。特征點(diǎn)第三主應(yīng)力計(jì)算見表2。

        4.1.2 工況2作用下

        (1)第一主應(yīng)力(S1)分布

        由圖10可以看出,在預(yù)應(yīng)力及自重與主+附組合最大索力作用下,第一主應(yīng)力極小,除鋼束錨固點(diǎn)外,絕大部分應(yīng)力分布在-0.53~1.69 MPa,個別點(diǎn)應(yīng)力較大,較大值出現(xiàn)于斜拉索錨固區(qū)域附近齒板上方。另外,鋼束錨固點(diǎn)存在應(yīng)力集中,產(chǎn)生主拉應(yīng)力,最大值達(dá)4.7 MPa。由于實(shí)際工程中有錨墊板存在,故該應(yīng)力集中值會較小[6]。特征點(diǎn)第一主應(yīng)力計(jì)算見表3。

        圖10 第一主應(yīng)力云圖

        表3 工況二作用下特征點(diǎn)計(jì)算應(yīng)力值 MPa

        (2)第三主應(yīng)力(S3)分布

        由圖11可以看出,在預(yù)應(yīng)力及自重與主+附組合最大索力作用下,分析段完全受主壓應(yīng)力。除個別應(yīng)力集中點(diǎn)外,其他區(qū)域應(yīng)力分布在-11.86~-1.71 MPa。應(yīng)力集中點(diǎn)位于斜拉索錨固齒板錨墊板下方區(qū)域,主壓應(yīng)力最大值達(dá)-27.9 MPa,由錨固中心向四周擴(kuò)散,應(yīng)力逐漸減小。另外,前壁外側(cè),應(yīng)力值明顯小于內(nèi)側(cè)相應(yīng)值。特征點(diǎn)第三主應(yīng)力計(jì)算見表3。

        圖11 第三主應(yīng)力云圖

        4.2 縱橋向開口U束布置計(jì)算結(jié)果

        4.2.1 工況1作用下

        (1)第一主應(yīng)力(S1)分布

        根據(jù)圖12可以看出,在預(yù)應(yīng)力及自重作用下,除個別點(diǎn)第一主應(yīng)力較大外,分析段第一主應(yīng)力基本在0值附近,分布在-0.31~1.73 MPa。第一主應(yīng)力較大部分主要位于斜拉索錨固齒塊與內(nèi)壁交界處。另外,鋼束錨固點(diǎn)存在應(yīng)力集中,由壓應(yīng)力過渡至拉應(yīng)力,產(chǎn)生主拉應(yīng)力,最大值達(dá)3.8 MPa,由于鋼束預(yù)應(yīng)力是直接作用在模型上,而實(shí)際工程中由于錨墊板的存在,故應(yīng)力集中數(shù)值會大大減小。特征點(diǎn)第一主應(yīng)力計(jì)算見表4。

        圖12 第一主應(yīng)力云圖

        表4 工況1作用下特征點(diǎn)計(jì)算應(yīng)力值 MPa

        (2)第三主應(yīng)力(S3)分布

        由圖13可以看出,在預(yù)應(yīng)力與自重作用下,分析段完全受壓。除個別點(diǎn)應(yīng)力集中外,其他絕大部分第三主應(yīng)力分布在-5.8~-1.4 MPa。側(cè)壁內(nèi)側(cè)主壓應(yīng)力要大于外側(cè)主壓應(yīng)力,而前壁則相反,外側(cè)主壓應(yīng)力較大些,斜拉索錨墊板下方至齒塊內(nèi)壁交界區(qū)域主壓應(yīng)力最小。應(yīng)力集中處位于外壁索孔上下緣附近,最大主壓應(yīng)力值達(dá)-8.9 MPa。另外,鋼束錨固點(diǎn)附近出現(xiàn)應(yīng)力集中。特征點(diǎn)第三主應(yīng)力計(jì)算見表4。

        圖13 第三主應(yīng)力云圖

        4.2.2 工況2作用下

        (1)第一主應(yīng)力(S1)分布

        由圖14可以得出,在預(yù)應(yīng)力及自重與主+附組合最大索力作用下,除個別點(diǎn)外,第一主應(yīng)力分布在-0.33~1.59 MPa范圍內(nèi),第一主應(yīng)力較大值出現(xiàn)于索孔與內(nèi)壁交界部位。同時,鋼束錨固點(diǎn)附近存在應(yīng)力集中,產(chǎn)生主拉應(yīng)力,最大值達(dá)3.6 MPa。特征點(diǎn)第一主應(yīng)力計(jì)算見表5。

        圖14 第一主應(yīng)力云圖

        表5 工況2作用下特征點(diǎn)計(jì)算應(yīng)力值 MPa

        (2)第三主應(yīng)力(S3)分布

        由圖15可以得出,在預(yù)應(yīng)力及自重與主+附組合最大索力作用下,分析段完全受主壓。除斜拉索錨固錨墊板下方區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中,最大主壓應(yīng)力達(dá)-28 MPa外,其他部分應(yīng)力分布在-11.95~-0.65 MPa。顯然,側(cè)壁主壓應(yīng)力要大于前壁,并且應(yīng)力值呈現(xiàn)兩極分化。這與U束縱橋向布置的實(shí)際情況相符合。另外,前壁外側(cè)中間區(qū)域,主壓應(yīng)力較小,需要加強(qiáng)。特征點(diǎn)第三主應(yīng)力計(jì)算見表5。

        圖15 第三主應(yīng)力云圖

        5 2種方案計(jì)算結(jié)果對比分析比較

        5.1 工況1作用下特征點(diǎn)計(jì)算結(jié)果對比

        (1)第一主應(yīng)力對比

        根據(jù)圖16可以看出,2種不同鋼束布置方案下,特征點(diǎn)第一主應(yīng)力分布趨勢一致,并且應(yīng)力值大小幾乎相同。

        圖16 工況1作用下特征點(diǎn)第一主應(yīng)力比較

        (2)第三主應(yīng)力對比

        由圖17可以看出,在2種不同鋼束布置方案下,特征點(diǎn)第三主應(yīng)力變化趨勢接近,且側(cè)壁與前壁應(yīng)力值相差都較大。很明顯,方案二下側(cè)壁特征點(diǎn)第三主應(yīng)力較方案一特征點(diǎn)相應(yīng)值大些,但前壁特征點(diǎn)第三主應(yīng)力較方案二相應(yīng)值大些。比較兩種方案下前壁與側(cè)壁應(yīng)力值差異,方案一顯得相對均勻些。

        圖17 工況1作用下特征點(diǎn)第三主應(yīng)力比較

        5.2 工況2作用下特征點(diǎn)計(jì)算結(jié)果對比

        (1)第一主應(yīng)力對比

        由圖18可以看出,在2種不同鋼束布置方案下,特征點(diǎn)第一主應(yīng)力變化趨勢一致,應(yīng)力值也幾乎相同。

        圖18 工況2作用下特征點(diǎn)第一主應(yīng)力比較

        (2)第三主應(yīng)力對比

        由圖19可以得出,在2種不同鋼束布置方案下,第三主應(yīng)力變化趨勢一致,除索孔附近特征點(diǎn)應(yīng)力值相近外,其他點(diǎn)應(yīng)力值有明顯差異。明顯不同的是,方案一前壁特征點(diǎn)壓應(yīng)力較方案二相應(yīng)值大,而側(cè)壁特征點(diǎn)應(yīng)力值方案二要大于方案一相應(yīng)值。比較兩種方案下最大最小值差異,方案一顯得相對均勻些。

        圖19 工況2作用下特征點(diǎn)第三主應(yīng)力比較

        6 結(jié)論

        (1)U形鋼束橫橋向開口與縱橋向開口2種布置方案下,分析段第一主應(yīng)力分布趨勢一致,且應(yīng)力值差異極小。

        (2)U形鋼束橫橋向開口與縱橋向開口2種布置方案下,分析段第三主應(yīng)力分布有明顯差異:方案一布置下,前壁第三主應(yīng)力較方案二相應(yīng)值大,而方案二布置下,側(cè)壁第三主應(yīng)力要較方案一相應(yīng)值大。比較2種方案下應(yīng)力值差異,方案一布置下,各部分應(yīng)力值顯得更均勻些,同時,方案一較方案二有更大的壓應(yīng)力儲備。當(dāng)索力噸位比較大,在滿足側(cè)壁壓應(yīng)力儲備的情況下,前壁受力顯得更不利,這時,宜優(yōu)先選用方案一下鋼束布置。

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