混凝土斜拉桥塔锚固区受力分析

2014-06-07张玉杰徐巧玲

山西建筑 2014年17期

张玉杰徐巧玲

(1.浙江省交通规划设计研究院，浙江杭州 310006;2.杭州市城东新城建设投资有限公司，浙江杭州 310000)

1 概述

斜拉桥是跨越能力较强的一种桥型，可达千米。由于刚度大、环境适应性强等优点，斜拉桥一般在300 m～1 000 m范围内取代拱桥和悬索桥成为首选桥型。斜拉桥根据体系构成和材料种类分为:塔墩固结、塔梁分离、塔梁固结、刚构体系、混凝土结构和钢结构。一般大跨径斜拉桥中多采用塔梁分离和钢结构，而小跨径斜拉桥中多采用混凝土结构。

在斜拉桥设计中，由于桥塔拉索锚固区受力较集中和情况复杂，往往成为设计的重点。尤其是混凝土桥塔，其复杂的应力情况很可能导致桥塔在施工或运营当中发生开裂。这不仅影响了结构的使用寿命，还影响到结构的安全性［1-5］。为了使设计人员能更合理的设计桥塔锚固区，清晰的了解锚固区受力情况是必要的。本文以温州市某混凝土斜拉桥为背景，采用大型通用有限元软件ANSYS建立桥塔锚固区实体模型，对桥塔拉索锚固进行受力分析，研究其应力分布情况和特点，便于设计人员的合理设计。

2 工程背景

图1 斜拉桥立面图

温州市某斜拉桥为双塔双索面混凝土(塔、梁)结构，塔墩固结，跨径布局为135+316+135(m)，边中跨比0.427，边跨不设辅助墩，如图1所示。

该桥主梁采用预应力混凝土肋板式结构，主肋高度2.8 m，宽2 m，主塔根部处由于受力需要加厚至3.5 m，桥面板为受力单向板，厚0.3 m。主塔采用花瓶型，上塔柱直线段结构高28.79 m，中塔柱直线段50.03 m，其间的曲线段高23.28 m，塔墩高33.9 m，共136 m。主塔纵向7 m，主墩纵向7 m～8.5 m，横向塔顶全宽13 m，塔墩固结处全宽43 m，墩底全宽26 m。主塔塔柱截面均为箱形截面，纵向宽度为7 m，壁厚1.2 m，横向宽度为3.5 m，壁厚0.7 m ～1 m。

图2 桥塔与加劲梁

斜拉索采用扇形空间双索面布置，每塔每索面共22对斜拉索，共176 根。塔上索距分别为1.3 m，1.6 m，1.8 m，梁上索距除边跨压重区为2.8 m外，其余均为6.6 m。斜拉索采用高强度低松弛平行钢丝索，索体采用双层HDPE防护的全防腐索体，抗拉强度标准值为fpk=1 670 MPa。拉索锚具采用冷铸镦头锚锚固体系，均在主塔端张拉(见图2)。

3 模型建立

为研究拉索力作用下，桥塔拉索锚固区受力情况，采用大型通用有限元软件ANSYS建立实体模型进行分析。模型截取单侧塔柱塔顶以下4个锚固区段为研究对象，为简化分析，只建立1/4轴对称模型。模型考虑预应力作用，预应力钢筋采用杆单元初应变法模拟，张拉控制应力为837 MPa。锚固区作用索力选取静力作用下的最大索力，转换为等效面荷载作用在相应锚块面上。有限元模型图和桥塔材料参数分别见图3和表1。

图3 桥塔模型图

表1 桥塔材料参数

图4 主塔截面剖面位置

4 计算结果分析

图4是桥塔横截面3个剖面位置，图5a)～图5f)分别是相对应位置的主拉和主压应力云图。

由图5a)，5b)可以看出，锚块附近有很严重的应力集中现象，越靠近拉索管道，应力值越大，并且锚块桥梁连接处角隅位置还出现了拉应力。由图5c)，5d)则可观察到，锚块内部较大压应力主要集中在拉索管道与锚块咬合部位，但该部分基本没有拉应力出现。而从图5e)，5f)可以看出，应力由塔壁两侧到塔中线逐渐增大，并在塔中线位置出现了很大的压应力集中现象。另外，还可以从图5看出，桥塔锚固区应力集中现象在接近塔顶位置较为严重，并且应力值较大。随锚固区节段的下移，应力集中现象逐渐减轻，数值减小。其原因可能在于塔顶位置的索力较大，倾角较小。