張玉杰 徐巧玲

(1.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江杭州 310006;2.杭州市城東新城建設(shè)投資有限公司，浙江杭州 310000)

1 概述

斜拉橋是跨越能力較強(qiáng)的一種橋型，可達(dá)千米。由于剛度大、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，斜拉橋一般在300 m～1 000 m范圍內(nèi)取代拱橋和懸索橋成為首選橋型。斜拉橋根據(jù)體系構(gòu)成和材料種類分為:塔墩固結(jié)、塔梁分離、塔梁固結(jié)、剛構(gòu)體系、混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)。一般大跨徑斜拉橋中多采用塔梁分離和鋼結(jié)構(gòu)，而小跨徑斜拉橋中多采用混凝土結(jié)構(gòu)。

在斜拉橋設(shè)計中，由于橋塔拉索錨固區(qū)受力較集中和情況復(fù)雜，往往成為設(shè)計的重點(diǎn)。尤其是混凝土橋塔，其復(fù)雜的應(yīng)力情況很可能導(dǎo)致橋塔在施工或運(yùn)營當(dāng)中發(fā)生開裂。這不僅影響了結(jié)構(gòu)的使用壽命，還影響到結(jié)構(gòu)的安全性［1-5］。為了使設(shè)計人員能更合理的設(shè)計橋塔錨固區(qū)，清晰的了解錨固區(qū)受力情況是必要的。本文以溫州市某混凝土斜拉橋?yàn)楸尘?，采用大型通用有限元軟件ANSYS建立橋塔錨固區(qū)實(shí)體模型，對橋塔拉索錨固進(jìn)行受力分析，研究其應(yīng)力分布情況和特點(diǎn)，便于設(shè)計人員的合理設(shè)計。

2 工程背景

圖1 斜拉橋立面圖

溫州市某斜拉橋?yàn)殡p塔雙索面混凝土(塔、梁)結(jié)構(gòu)，塔墩固結(jié)，跨徑布局為135+316+135(m)，邊中跨比0.427，邊跨不設(shè)輔助墩，如圖1所示。

該橋主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土肋板式結(jié)構(gòu)，主肋高度2.8 m，寬2 m，主塔根部處由于受力需要加厚至3.5 m，橋面板為受力單向板，厚0.3 m。主塔采用花瓶型，上塔柱直線段結(jié)構(gòu)高28.79 m，中塔柱直線段50.03 m，其間的曲線段高23.28 m，塔墩高33.9 m，共136 m。主塔縱向7 m，主墩縱向7 m～8.5 m，橫向塔頂全寬13 m，塔墩固結(jié)處全寬43 m，墩底全寬26 m。主塔塔柱截面均為箱形截面，縱向?qū)挾葹? m，壁厚1.2 m，橫向?qū)挾葹?.5 m，壁厚0.7 m ～1 m。

圖2 橋塔與加勁梁

斜拉索采用扇形空間雙索面布置，每塔每索面共22對斜拉索，共176 根。塔上索距分別為1.3 m，1.6 m，1.8 m，梁上索距除邊跨壓重區(qū)為2.8 m外，其余均為6.6 m。斜拉索采用高強(qiáng)度低松弛平行鋼絲索，索體采用雙層HDPE防護(hù)的全防腐索體，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為fpk=1 670 MPa。拉索錨具采用冷鑄鐓頭錨錨固體系，均在主塔端張拉(見圖2)。

3 模型建立

為研究拉索力作用下，橋塔拉索錨固區(qū)受力情況，采用大型通用有限元軟件ANSYS建立實(shí)體模型進(jìn)行分析。模型截取單側(cè)塔柱塔頂以下4個錨固區(qū)段為研究對象，為簡化分析，只建立1/4軸對稱模型。模型考慮預(yù)應(yīng)力作用，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用桿單元初應(yīng)變法模擬，張拉控制應(yīng)力為837 MPa。錨固區(qū)作用索力選取靜力作用下的最大索力，轉(zhuǎn)換為等效面荷載作用在相應(yīng)錨塊面上。有限元模型圖和橋塔材料參數(shù)分別見圖3和表1。

圖3 橋塔模型圖

表1 橋塔材料參數(shù)

圖4 主塔截面剖面位置

4 計算結(jié)果分析

圖4是橋塔橫截面3個剖面位置，圖5a)～圖5f)分別是相對應(yīng)位置的主拉和主壓應(yīng)力云圖。

由圖5a)，5b)可以看出，錨塊附近有很嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，越靠近拉索管道，應(yīng)力值越大，并且錨塊橋梁連接處角隅位置還出現(xiàn)了拉應(yīng)力。由圖5c)，5d)則可觀察到，錨塊內(nèi)部較大壓應(yīng)力主要集中在拉索管道與錨塊咬合部位，但該部分基本沒有拉應(yīng)力出現(xiàn)。而從圖5e)，5f)可以看出，應(yīng)力由塔壁兩側(cè)到塔中線逐漸增大，并在塔中線位置出現(xiàn)了很大的壓應(yīng)力集中現(xiàn)象。另外，還可以從圖5看出，橋塔錨固區(qū)應(yīng)力集中現(xiàn)象在接近塔頂位置較為嚴(yán)重，并且應(yīng)力值較大。隨錨固區(qū)節(jié)段的下移，應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸減輕，數(shù)值減小。其原因可能在于塔頂位置的索力較大，傾角較小。

5 結(jié)語

本文以溫州某混凝土斜拉橋?yàn)楸尘埃治隽藰蛩^固區(qū)受力情況。

圖5 各剖面位置應(yīng)力狀況

分析結(jié)果表明:

1)錨塊附近有應(yīng)力集中現(xiàn)象，錨塊與橋塔連接處角隅位置可能出現(xiàn)拉應(yīng)力;

2)拉索管道與錨塊咬合處有較大集中的壓應(yīng)力;

3)橋塔縱橋向面中線附近有較大集中的壓應(yīng)力存在;

4)應(yīng)力集中現(xiàn)象和數(shù)值在塔頂位置較為嚴(yán)重，隨錨固節(jié)段的下移，應(yīng)力集中現(xiàn)象和數(shù)值逐漸減輕。

設(shè)計師在進(jìn)行橋塔錨固區(qū)設(shè)計時，應(yīng)注意以上幾處應(yīng)力集中位置，加強(qiáng)鋼筋配置。

［1］劉 路.斜拉橋索塔錨固區(qū)節(jié)段受力特性研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2009.

［2］葉蘭洲.斜拉橋索塔錨固區(qū)受力性能研究［D］.西安：長安大學(xué)，2012.

［3］白光亮.大跨度斜拉橋索塔錨固區(qū)結(jié)構(gòu)行為與模型試驗(yàn)研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2009.

［4］嚴(yán)少波，裴丙志.斜拉橋索塔拉索錨固區(qū)空間應(yīng)力分析模型［J］.國外公路，2001，20(3)：22-24.

［5］高 寶，馬越峰，史方華，等.之江大橋主橋空間有限元受力分析［J］.公路，2003(8)：79-83.