孟遠(yuǎn)遠(yuǎn)

(新疆建筑設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830006)

斜拉橋的索塔錨固區(qū)是將拉索的局部集中力安全、均勻地傳遞到塔柱全截面的關(guān)鍵構(gòu)造。索塔錨固區(qū)主要受斜拉索巨大的空間斜向索力、預(yù)應(yīng)力筋的錨固力、孔洞削弱、楔形尺塊構(gòu)造缺陷等因素的影響，使該區(qū)域處于復(fù)雜的空間三維應(yīng)力狀態(tài)，受力狀態(tài)十分復(fù)雜，因此，斜拉橋索塔錨固區(qū)力學(xué)性能的探討一直以來(lái)備受關(guān)注[1]。

本文以主橋?yàn)?81+162+432+162+81)m的特大鋼桁梁斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘斑M(jìn)行對(duì)比分析，該橋分上、下兩層橋面布置，橋塔總高181.9m。該橋是目前世界上單點(diǎn)錨固索力最大的斜拉橋。

1 有限元模型

1.1 預(yù)應(yīng)力鋼束布置概況

為了使這兩種方案具有可比性，“U”形預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)采用12-15.2的鋼絞線、彎曲半徑為1.6m；“井”形預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)采用7-15.2的鋼絞線，彎曲半徑為4m。預(yù)應(yīng)力鋼束均采用高強(qiáng)低松弛鋼絞線，其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860MPa，張拉控制應(yīng)力為1 116MPa[4]。這樣使兩種模型中的預(yù)應(yīng)力鋼束數(shù)量基本相同，僅在預(yù)應(yīng)力鋼束的布置形式上有較大差別。

1.2 模型的選取

通過(guò)斜拉橋整體靜力分析可知橋塔頂部斜拉索的索力最大且傾角最小，水平拉力最大，故取橋塔的最上端S14號(hào)塔段作為研究對(duì)象，分別建立該塔段在兩種預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)作用下的有限元模型。兩種預(yù)應(yīng)力體系在S14塔段內(nèi)的布置形式參見(jiàn)圖1。

考慮到圣維南原理(邊界效應(yīng)對(duì)分析區(qū)域受力的影響)及楔形錨固齒塊之間的相互影響，又考慮到計(jì)算機(jī)計(jì)算時(shí)間等因素，從塔頂往下截取3.4m長(zhǎng)的節(jié)段(僅包含S14塔段)。

1.3 建模

建模時(shí)混凝土采用SOLID45單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用LINK8單元模擬，網(wǎng)格劃分時(shí)定義單元最大邊長(zhǎng)不超過(guò)20cm。模型中兩種預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的空間有限元模型參見(jiàn)圖2。

(a)“U”形預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)

(b)彎曲“井”形預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)

模型按實(shí)際情況考慮了孔洞削弱、楔形尺塊構(gòu)造缺陷等因素的影響，并對(duì)模型施加了斜向索力、預(yù)應(yīng)力筋的錨固力，盡可能的模擬了橋塔的真實(shí)受力情況。

1.4 模型的邊界條件

1.4.1 位移邊界條件

模型上端面不約束；模型全部底面節(jié)點(diǎn)約束豎向變形，底面長(zhǎng)邊中線約束順橋向變形，底面短邊中線約束橫橋向變形。

圖2 有限元模型

1.4.2 力邊界條件

重力的模擬：采用施加加速度的方式模擬結(jié)構(gòu)重力。

預(yù)應(yīng)力作用的模擬：預(yù)應(yīng)力鋼束采用Link8單元模擬，預(yù)應(yīng)力采用單元降溫的方式施加。

預(yù)應(yīng)力鋼束與混凝土相互作用的模擬：采用耦合法，將預(yù)應(yīng)力鋼束與其最近的節(jié)點(diǎn)耦合起來(lái)模擬混凝土與預(yù)應(yīng)力鋼束的共同作用。

斜拉索索力的模擬：斜拉索索力按最不利工況組合值取用(索力大小見(jiàn)表2)，將最不利工況下得到的索力以等效表面壓力施加在錨墊板上，施加面積為模型中錨墊板的面積，作用方向垂直于錨墊板。

1.5 荷載工況及計(jì)算中用到的參數(shù)

計(jì)算了常遇工況一：重力+預(yù)應(yīng)力+運(yùn)營(yíng)索力(表1、表2)。

表1 計(jì)算參數(shù)[4]

表2 塔段S14索力

2 計(jì)算結(jié)果

在設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力混凝土橋塔時(shí)水平方向的拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)時(shí)的主要控制因素，因此這里主要觀察水平方向的應(yīng)力情況。

通過(guò)截面應(yīng)力云圖對(duì)比分析兩種結(jié)構(gòu)作用下索塔錨固區(qū)的力學(xué)性能，截面應(yīng)力云圖的位置參見(jiàn)圖3。

圖3 截面位置示意

工況一作用下1、2截面應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖4、圖5。

3 結(jié)論

通過(guò)以上計(jì)算結(jié)果可知彎曲“井”形預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)與以往索塔錨固區(qū)中常用的“U”形預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)相比，彎曲“井”形預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)。 度削弱大小影響更大，圓形孔開(kāi)孔面積比六邊形開(kāi)孔面積大，對(duì)蜂窩梁腹板剛度造成的削弱就更大，因此六邊形孔蜂窩梁臨界彎矩值大于圓形孔蜂窩梁臨界彎矩值；當(dāng)s/h>0.5時(shí)，蜂窩梁整體穩(wěn)定性受腹板連續(xù)性影響更大，腹板開(kāi)設(shè)六邊形孔洞時(shí)的連續(xù)性要比開(kāi)設(shè)圓形孔時(shí)的連續(xù)性要差，因此對(duì)蜂窩梁的整體穩(wěn)定性影響更大；當(dāng)s/h趨近于0.7時(shí)，腹板開(kāi)設(shè)孔洞時(shí)對(duì)梁的剛度削弱并不明顯，也就是開(kāi)設(shè)孔洞對(duì)梁的整體穩(wěn)定性影響不大，在一定程度上可以忽略不計(jì)。因此，在蜂窩梁開(kāi)設(shè)洞口時(shí)，當(dāng)s/h<0.5時(shí)，開(kāi)設(shè)六邊形孔更為有利，蜂窩梁整體穩(wěn)定性主要受腹板剛度影響，當(dāng)0.50.7，開(kāi)設(shè)六邊形孔和圓形孔基本相同，蜂窩梁整體穩(wěn)定性受腹板開(kāi)設(shè)洞口影響很小。

圖4 1-1剖面順橋向正應(yīng)力

3 結(jié)論

綜上所述，得到以下結(jié)論。

(1)蜂窩梁的彎扭屈曲失穩(wěn)形態(tài)與實(shí)腹式梁彎扭屈曲失穩(wěn)形態(tài)基本吻合，在蜂窩梁整體穩(wěn)定性分析中可以借鑒實(shí)腹式梁整體穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行分析，在實(shí)際蜂窩梁的設(shè)計(jì)工程中，可以在實(shí)腹式梁的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的修正來(lái)得到蜂窩梁的整體穩(wěn)定性計(jì)算。

(2)六邊形孔及圓形孔蜂窩梁臨界彎矩值基本相近，開(kāi)設(shè)孔洞形狀并不明顯改變蜂窩梁的整體穩(wěn)定性，從某種意義上說(shuō)蜂窩梁整體穩(wěn)定性受腹板開(kāi)孔形狀的影響不大，蜂窩梁的開(kāi)孔主要是受使用功能、美觀等因素的影響；在蜂窩梁的整體穩(wěn)定性分析可以借鑒任意一種形狀孔洞的蜂窩梁進(jìn)行分析，在實(shí)際設(shè)計(jì)工程中，對(duì)于蜂窩梁的整體穩(wěn)定性設(shè)計(jì)時(shí)，都可以借鑒同一個(gè)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)，開(kāi)孔形狀主要滿足功能和美觀的要求。

(3)當(dāng)s/h<0.5時(shí)，蜂窩梁整體穩(wěn)定性主要受腹板剛度影響，開(kāi)設(shè)六邊形孔更為有利，當(dāng)0.50.7，蜂窩梁整體穩(wěn)定性受腹板開(kāi)設(shè)洞口影響很小，開(kāi)設(shè)六邊形孔和圓形孔基本相同。

[1] 楊壇.基于ANSYS圓孔蜂窩鋼梁承載力研究[D].廣西大學(xué)，2007

[2] 周緒紅，鄭宏.鋼筋鉤穩(wěn)定[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004