馬雅林 任萬(wàn)敏 朱敏 孫帆 李長(zhǎng)年

中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031

作為斜拉橋傳力體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，矮塔斜拉橋的索梁錨固區(qū)是保證橋梁設(shè)計(jì)施工安全的關(guān)鍵控制區(qū)域［1-2］。由于其受力面積較小、構(gòu)造特殊、傳力途徑復(fù)雜，且承受巨大的索力，錨固區(qū)的應(yīng)力分布復(fù)雜，局部應(yīng)力集中現(xiàn)象突出，若布置預(yù)應(yīng)力筋該現(xiàn)象會(huì)更加明顯［3-5］。文獻(xiàn)［6-8］通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬研究索梁錨固區(qū)的應(yīng)力分布，并分析了錨固區(qū)的受力特性?，F(xiàn)有研究成果主要集中于公路矮塔斜拉橋方面［9-10］，而公路橋梁與鐵路橋梁有明顯的差別，施加在鐵路橋梁的活載更大且分布區(qū)域更小［11-12］。因此，必須對(duì)鐵路橋梁的索梁錨固區(qū)進(jìn)行單獨(dú)分析。此外，通過(guò)理論分析和數(shù)值計(jì)算不能完全反映實(shí)際構(gòu)件真實(shí)受力特性、破壞特征，有必要通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行分析，從而充分了解各個(gè)階段的受力情況以及最終破壞形態(tài)［13-14］。

成昆鐵路金沙江大橋采用了新型索梁錨固形式——梁頂混凝土錨固結(jié)構(gòu)。本文根據(jù)相似理論設(shè)計(jì)并進(jìn)行了縮尺模型試驗(yàn)，研究新型頂板錨固結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)力分布，得到結(jié)構(gòu)開(kāi)裂荷載和開(kāi)裂特征，確認(rèn)其在合理安全儲(chǔ)備下的承載能力。

1 工程背景

攀枝花金沙江大橋?yàn)楦慕ǔ啥贾晾ッ麒F路米易至攀枝花段擴(kuò)能改造工程。該橋?yàn)殡p塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，孔跨布置為（120+208+120）m，采用塔梁固結(jié)、墩梁分離的結(jié)構(gòu)體系，主梁為三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。攀枝花金沙江大橋拉索編號(hào)見(jiàn)圖1。

圖1 攀枝花金沙江大橋拉索編號(hào)

傳統(tǒng)索梁錨固構(gòu)造相對(duì)腹板形心存在偏心距，斜拉索受力后會(huì)產(chǎn)生較大的偏心彎矩而導(dǎo)致局部應(yīng)力超限，改變了橋梁整體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，嚴(yán)重影響使用功能。因此，該橋采用梁頂混凝土錨塊錨固形式（圖2），可以使拉索錨固點(diǎn)與主梁腹板形心處在同一豎直面內(nèi)［15］，大幅減小索梁錨固點(diǎn)與腹板形心的橫向偏心彎矩，利于拉索索力較為平順地傳遞至主梁，在形成體外預(yù)應(yīng)力的同時(shí)盡可能減小由此帶來(lái)的次內(nèi)力。

圖2 梁索錨固區(qū)構(gòu)造（單位：cm）

梁體及索梁錨塊混凝土等級(jí)為C55，封錨采用強(qiáng)度等級(jí)為C55的收縮補(bǔ)償混凝土。縱向、橫向預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa、彈性模量為195 GPa、公稱直徑為15.20 mm高強(qiáng)度低松弛鋼絞線。豎向預(yù)應(yīng)力筋采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為830 MPa、彈性模量為200 GPa預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋。普通鋼筋采用彈性模量為210 GPa的HPB300鋼筋和彈性模量為200 GPa的HPB400鋼筋，HRB400鋼筋未經(jīng)高壓穿水處理過(guò)。

2 模型試驗(yàn)

2.1 模型選取

金沙江大橋的索梁錨固塊構(gòu)件有7種尺寸，分別為C1—C7拉索對(duì)應(yīng)的錨固區(qū)。選擇矮塔斜拉索橋受力最不利區(qū)域建立局部模型，確定3個(gè)索梁錨固區(qū)：靠近主塔且單束索力最小的C1拉索對(duì)應(yīng)索梁錨固區(qū)；中點(diǎn)處的C4拉索對(duì)應(yīng)索梁錨固區(qū)；遠(yuǎn)離主塔且單束索力最大的C7拉索對(duì)應(yīng)索梁錨固區(qū)。分析錨固區(qū)構(gòu)件在3種工況下的受力情況。工況1，斜拉索掛索前，斜拉索索力為0；工況2，斜拉索在成橋恒載作用下，斜拉索索力為8 050 kN；工況3為最不利荷載組合（主力+附加力）作用下，斜拉索索力為9 700 kN。錨固塊各工況橫橋向、豎向、縱橋向應(yīng)力極值見(jiàn)表1—表3。

表1 錨固塊各工況橫橋向應(yīng)力極值 MPa

表2 錨固塊各工況豎向應(yīng)力極值 MPa

表3 錨固塊各工況縱橋向應(yīng)力極值 MPa

由表1—表3可知：在工況2中，C7錨固塊混凝土豎向、縱橋向最大壓應(yīng)力均比C1、C4錨固塊小，說(shuō)明其更容易破壞；在工況2和工況3中，C7、C4錨固塊混凝土豎向、縱橋向最大拉應(yīng)力與C1錨固塊相差不大。由于錨固塊混凝土受拉區(qū)域大小為C7＞C4＞C1，所以C7錨固塊比其余兩個(gè)錨固塊更容易發(fā)生破壞。因此，在本次模型試驗(yàn)中選取C7錨固塊作為模型試驗(yàn)構(gòu)件。

2.2 縮尺模型設(shè)計(jì)

受試驗(yàn)條件限制，試驗(yàn)選用與原橋尺寸比例為1∶2的模型進(jìn)行試驗(yàn)，模型基于相似關(guān)系根據(jù)原橋圖紙縮尺后進(jìn)行制作［16］，材料選用與原橋一致。模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)相似關(guān)系見(jiàn)表4。由于試驗(yàn)中只考慮拉索索力對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，結(jié)構(gòu)自重對(duì)受力的影響可忽略不計(jì)，故試驗(yàn)中不對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行配重設(shè)計(jì)，不考慮質(zhì)量密度的影響［17］。

表4 相似關(guān)系

在本次試驗(yàn)中，將錨固區(qū)和上翼緣作為整體一同澆筑，避免施工縫形成薄弱面。試驗(yàn)構(gòu)件采用C55混凝土，采用HPB300和HRB400鋼筋。同時(shí)，在不改變預(yù)應(yīng)力鋼束規(guī)格的情況下，鋼束根數(shù)減少為原橋構(gòu)件的25%。預(yù)應(yīng)力鋼束分別采用N1和N2預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa，錨下張拉控制應(yīng)力為325.5 MPa，張拉時(shí)需先按10%的張拉控制應(yīng)力進(jìn)行初張拉，再補(bǔ)充張拉至設(shè)計(jì)張拉應(yīng)力。此外，試驗(yàn)構(gòu)件在腹板底部設(shè)置兩個(gè)突出翼緣，腹板底部和下翼緣通過(guò)螺栓錨具與反力墻連接，通過(guò)計(jì)算共設(shè)置16個(gè)螺栓連接件。

2.3 測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試內(nèi)容包括應(yīng)變和索力。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)處布置應(yīng)變花，拉索錨固端錨板前布置壓力環(huán)，預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固端布置錨索計(jì)。測(cè)點(diǎn)布置按照縮尺模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定應(yīng)變花測(cè)點(diǎn)共20個(gè)，應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)共60個(gè)，ZX?215CT混凝土應(yīng)變計(jì)共9個(gè)。測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置

2.4 試驗(yàn)荷載及加載工況

完成試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)件制作并達(dá)到加載要求后，首先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加載索力每級(jí)加載值為設(shè)計(jì)索力F的25%，隨后進(jìn)行正式加載。正式加載分為兩個(gè)工況：工況1，按每一級(jí)加載增量為設(shè)計(jì)索力的20%加載至設(shè)計(jì)索力，在各級(jí)荷載作用下，作用5 min并進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，然后卸載；工況2是在工況1的基礎(chǔ)上持續(xù)加載至設(shè)計(jì)索力的140%，此后持續(xù)加載10 min，然后按每一級(jí)加載增量為設(shè)計(jì)索力的10%加載至設(shè)計(jì)索力的200%。正式加載過(guò)程中，每級(jí)加載到位后記錄結(jié)構(gòu)變形，檢查測(cè)試儀器是否正常工作并記錄數(shù)據(jù)。

2.5 有限元驗(yàn)證

為對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，采用MIDASFEA軟件對(duì)試件進(jìn)行應(yīng)力分析。采用實(shí)體單元模擬承受壓應(yīng)力的模擬混凝土塊，采用線單元模擬承受較大拉應(yīng)力的預(yù)應(yīng)力鋼束，采用板單元模擬錨拉塊前端鋼板及錨前加強(qiáng)鋼板。模型共創(chuàng)建12 231個(gè)實(shí)體單元，480個(gè)線單元，164個(gè)板殼單元。材料選用與試件一致，有限元模型見(jiàn)圖4。

圖4 有限元模型

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 模型受力情況

工況1錨固塊應(yīng)變和有效應(yīng)力見(jiàn)圖5?？芍孩馘^固塊在張拉荷載作用下至100%設(shè)計(jì)索力，其應(yīng)變?cè)龇旧暇€性增加，卸載后同樣呈線性減小，說(shuō)明混凝土在線彈性階段受力；②錨固塊受力基本與有限元模型一致，最大應(yīng)力及應(yīng)力集中區(qū)域大體相近，倒角處最大拉應(yīng)變約為50.1×10-6，換算成實(shí)測(cè)應(yīng)力為1.8 MPa，滿足TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

圖5 工況1錨固塊應(yīng)變和有效應(yīng)力

工況2錨固塊應(yīng)變和應(yīng)力見(jiàn)圖6。可知：僅個(gè)別測(cè)點(diǎn)拉應(yīng)力超過(guò)TB 10092—2017限值；卸載后，各測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余應(yīng)變均小于20%。最大拉應(yīng)變同樣出現(xiàn)在模型倒角處，約為100.7×10-6，換算成實(shí)測(cè)應(yīng)力為3.6 MPa，未超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度，表明錨固塊的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 工況二錨固塊應(yīng)變和應(yīng)力

3.2 模型變形情況

在工況1加載過(guò)程中，錨固塊試驗(yàn)荷載加載至100%設(shè)計(jì)索力時(shí)錨固塊并未出現(xiàn)裂縫。在工況2加載過(guò)程中，錨固塊試驗(yàn)荷載加載至140%設(shè)計(jì)索力時(shí)，錨固塊前端倒角位置開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)小裂紋并隨著荷載的增加不斷慢慢擴(kuò)展，寬度約為0.3～0.4 mm，長(zhǎng)度約為12 cm。另一側(cè)也開(kāi)始出現(xiàn)兩條細(xì)小斜裂縫，裂縫寬度約為0.1～0.2 mm，長(zhǎng)度分別約為16 cm和8 cm，見(jiàn)圖7（a）。當(dāng)荷載加載至170%倍設(shè)計(jì)索力時(shí)，之前出現(xiàn)的裂縫繼續(xù)隨著荷載的增加不斷擴(kuò)展，寬度約為0.2～0.5 mm，長(zhǎng)度約為22 cm。另一側(cè)出現(xiàn)兩條細(xì)小斜裂縫，裂縫寬度約為0.2～0.6 mm，長(zhǎng)度分別約為25、8 cm，見(jiàn)圖7（b）。當(dāng)荷載加載至200%倍設(shè)計(jì)索力時(shí)，之前出現(xiàn)的裂縫繼續(xù)隨著荷載的增加不斷開(kāi)展，寬度約為0.6～0.8 mm，長(zhǎng)度約為34 cm。另一側(cè)出現(xiàn)兩條細(xì)小的斜裂縫，裂縫寬度約為0.6～0.8 mm，長(zhǎng)度分別約為30、12 cm，見(jiàn)圖7（c）。當(dāng)荷載卸載至0時(shí)，之前出現(xiàn)的裂縫繼續(xù)隨著荷載的減小逐漸閉合，寬度肉眼不可見(jiàn)，見(jiàn)圖7（d）。

圖7 工況2試件裂縫發(fā)展情況

通過(guò)對(duì)金沙江矮塔斜拉橋索梁錨固區(qū)進(jìn)行模型試驗(yàn)，表明該橋采用的新型頂板錨固塊錨固形式在試驗(yàn)荷載下處于正常工作狀態(tài)，錨固塊的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)和正常使用要求。經(jīng)荷載試驗(yàn)得到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全儲(chǔ)備系數(shù)大于2.0。

4 結(jié)論

1）應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)C1、C4、C7錨固區(qū)構(gòu)件進(jìn)行有限元模擬分析可知，在斜拉索成橋恒載索力作用以及最不利荷載組合（主力+附加力）作用下，C7錨固塊更容易破壞。

2）在100%設(shè)計(jì)索力作用下，錨固塊倒角處拉應(yīng)變最大，且應(yīng)變?cè)龇旧暇€性增加，卸載后同樣呈線性減小，說(shuō)明混凝土在線彈性階段受力。在200%設(shè)計(jì)索力作用下最大拉應(yīng)變同樣出現(xiàn)在模型倒角處，但仍未超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度，表明錨固塊的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3）在加載過(guò)程中，錨固塊前端倒角位置開(kāi)始出現(xiàn)的細(xì)小裂紋，并隨著荷載的增加不斷慢慢開(kāi)展，另一側(cè)開(kāi)始出現(xiàn)兩條細(xì)小斜裂縫。當(dāng)荷載卸載至0時(shí)，之前出現(xiàn)的裂縫繼續(xù)隨著荷載的減小逐漸閉合，寬度肉眼不可見(jiàn)。該橋采用的新型頂板錨固塊能夠滿足正常使用要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全儲(chǔ)備系數(shù)大于2.0。