南台头闸桥梁索塔锚固区设计研究

2017-11-02吴朴

城市道桥与防洪 2017年10期

关键词：主拉桥塔索塔

吴朴

（浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江杭州 310028）

南台头闸桥梁索塔锚固区设计研究

吴朴

（浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江杭州 310028）

拱形索塔斜拉桥以其造型优美、线条柔和、简单大方等优点，在景观要求较高的桥梁投标中具有一定优势。目前国内对此种形式斜拉塔研究较少，因其空间索面体系及曲线桥塔结构，使得整个索塔锚固区受力更加复杂。以一座单塔拱形桥塔斜拉桥为工程实例，具体分析拱形斜拉塔索塔锚固区的受力情况，可为同类斜拉桥的设计工作提供借鉴与参考。

拱形斜拉塔；索塔锚固区；预应力锚固

0 引言

斜拉桥作为一种拉索体系结构，主要由桥塔、拉索、主梁等构件构成，是一种主梁受压，支撑体系受拉的组合体系桥梁[1-3]。斜拉桥以其受力性能好、跨越能力大、受场地限制小、抗震抗风性能好、施工工艺成熟等特点，桥梁工程中得到了较大的应用。

桥塔作为斜拉桥的主要承重构件，目前常用的桥塔形式有：柱式、门式、倒Y型、倒V型、A型、花瓶型及砖石型等[4,5]。近年来随着我国经济的快速发展和人民的物质生活水平不断提高，人民的精神文化需求日益增长，对桥梁的景观功能性要求也逐步提升。桥塔作为整个斜拉桥的高耸部分，其外形是人们关注的焦点，最能表现出斜拉桥的景观效果，也最能给人留下较为深刻的映像，体现出桥梁的整体文化内涵及地方特色，故桥塔的外型选择十分重要。因此目前对斜拉桥的景观处理大多由桥塔入手，诞生了一批外形优美的异形斜拉塔。

拱形斜拉塔以其造型优美、线条柔和、简单大方等优点，在景观要求较高的桥梁投标中具有一定优势。目前国内对此种形式斜拉塔研究较少，因其空间索面体系及曲线桥塔结构，使得整个索塔锚固区受力更加复杂。本文将以一座单塔拱形桥塔斜拉桥为工程实例，具体分析拱形斜拉塔索塔锚固区的受力情况，为同类斜拉桥的设计工作提供借鉴与参考。

1 南台头闸桥梁概况

南台头闸桥梁主桥采用两跨102 m+13 m独塔双索面斜拉桥，全桥共36对共72根斜拉索，边跨梁上索距分别为6.3 m和3.5 m，主跨梁上索距为6.3 m，塔上索距为2.8 m、2.6 m、2.4 m和2.2 m。主塔为混凝土椭圆形桥塔，桥面以上高为74.2 m左右。斜拉桥主梁6.3 m索距处的结构形式为双肋式预应力混凝土结构，边跨3.5 m索距处的主梁为单箱单室预应力混凝土箱梁，中心点梁高为2.4 m。桥面全宽30.5 m，整体结构采用塔墩梁固结体系。总体布置见图1。

图1 桥梁总体布置立面图（单位：cm）

2 南台头闸桥梁斜拉索塔锚固区设计

2.1 常用的拉索固形式

拉索锚固处的构造主要受拉索位置、根数、纵横向布置、桥塔的结构形式、拉索牵引方式及张拉工艺等多种因素的影响。故应从设计、施工、养护维修及换索等多方面来综合考虑拉索锚固区的构造。

对于混凝土桥塔常用的拉索锚固形式有，预应力锚固、钢锚梁以及钢锚箱等。

2.1.1 预应力锚固结构

预应力锚固是将斜拉索直接锚固在混凝土桥塔内壁的齿块上，拉索索力由齿板传至塔壁；其中拉索的竖向分力经由塔壁向下传递，拉索的水平向分力在塔壁上产生的拉力则由设在塔内的平面预应力筋对桥塔产生的预压力来抵消。主要构造形式见图2。

图2 预应力锚固构造形式图

2.1.2 钢锚梁

钢锚梁作为独立的拉索锚固构件，支撑于塔柱内壁牛腿上，依靠钢锚梁自身强度平衡两侧拉索的水平分力，部分不平衡水平分力通过钢锚梁支座摩阻力和水平限位装置传递至塔壁，拉索的竖向分力由塔柱内侧牛腿传至塔柱。由于拉索的水平向分力大多由钢锚梁平衡，故塔壁处混凝土拉应力水平较低。主要构造形式见图3。

图3 钢锚梁构造形式图

2.1.3 钢锚箱

钢锚箱是由钢结构索塔及主梁锚固横梁发展而来的一种新型锚固构造。钢锚箱整体浇筑于混凝土主塔内，与混凝土间通过剪力键连接，拉索锚固于钢横梁上，钢横梁焊接在钢锚箱上。钢锚箱的工作机理明确，索力首先传递至钢锚箱上，其竖向分力由塔壁由上而下向下进行传递，整体由混凝土承担；其水平向分力则通过钢锚箱的水平钢板和塔柱共同承担。钢锚箱中钢材主要负责承担索力产生的水平拉力，混凝土主要负责承担索力产生的竖向压力，充分发挥了混凝土受力承载力大、钢材抗拉强度高的特点，受力性能优越。主要构造形式见图4。

图4 钢锚箱构造形式图

2.1.4 不同锚固方式的优缺点比较

不同的索塔锚固形式有各自不同的特点，其主要优缺点见表1。

表1 不同索塔锚固形式优缺点一览表

2.2 斜拉塔锚固区设计

该桥采用混凝土椭圆形桥塔，空间索面结构，结构复杂，故索塔锚固方式是该桥设计的重要节点。

由于该桥主塔设计受道路断面限制，主塔横向尺寸较小，塔根部横向尺寸为4.0 m，且拉索竖向间距较小，最小处仅为2.2 m，故塔内锚固空间较小；又因主塔为椭圆形结构，空间索面结构，锚点处空间角度各不相同；故拉索锚固不宜采用钢锚梁形式，应在预应力锚固和钢锚箱锚固这两种锚固形式中进一步进行比选，又由于本桥整体跨径较小，采用钢锚箱的锚固方式经济性较差，综合分析后该桥采用预应力锚固的方式。

本次设计在常规预应力锚固方式的基础上进行优化，在每对斜拉索锚固点处设置0.4 m厚的隔板一道，每道隔板顺桥向设置4道12Φs15.2 mm的预应力钢束；每两道隔板之间设置6道12Φs15.2 mm环形预应力钢束；预应力钢束均采用塑料波纹管成孔。其主要构造见图5。

图5 索塔锚固区预应力构造图（单位：cm）

3 索塔锚固区有限元分析

索塔锚固区处于三向受力状态，受力复杂，需建立精细的空间有限元模型，对其进行受力分析评估。

3.1 有限元模型建立

计算分析中选取桥塔索力最大的5个节段作为研究对象，对应斜拉索S14～S18（大跨侧）和S14’～S18’（小跨侧）。以节段底面形心为坐标原点，顺桥向为X方向，横桥向为Y方向，竖向为Z方向。有限元计算采用通用有限元程序ABAQUS6.10，建立模型时考虑了塔上锚固齿槽和斜拉索预留孔。有限元网格划分情况，混凝土采用4节点4面体实体单元C3D4以及8节点6面体实体单元C3D8模拟，预应力钢束采用埋入式2节点T3D2空间桁架单元模拟，单元数总计为551 754，其中混凝土实体单元数为546 647，预应力钢束桁架单元数为5 107。有限元模型见图6。

图6 索塔锚固区有限元模型

材料特性做了以下简化：塔壁按各向同性的匀质弹性体考虑，未计入普通钢筋；C50混凝土弹性模量Ec=3.45×104MPa,泊松比μ=0.2；预应力钢束采用ΦS15.2高强度低松弛预应力钢绞线，抗拉强度fpk=1 860 MPa，张拉控制应力σcon=1 350 MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa，线膨胀系数α=1.2×10-5。

对于该模型，边界条件作如下考虑：节段底面按固结处理，节段顶部截面受到上部塔体的轴压力Fz和弯矩Mx、My作用。

3.2 荷载及荷载工况

3.2.1 斜拉索索力

斜拉索索力由有限元计算程序Midas Civil 2015求得，按正常使用极限状态标准组合值取用，其数值见表2。索力以面力的形式作用在锚垫板扣除索孔面积以外的部分上，其方向与索力实际方向一致。

3.2.2 钢束预应力

考虑预应力损失20%，故预应力钢束的实际张拉应力为0.8σcon=1 080 MPa。考虑混凝土与预应力钢束分开建模，采用降温法模拟预应力张拉，即将损失后的钢束内力值以降温的形式加在T3D2空间桁架单元中，塔身预应力筋应降温Δt=0.8σcon/αEp=461.54℃。

3.2.3 荷载工况

根据正常使用极限状态标准组合下，轴压力Fz、顺桥向弯矩Mx、横桥向弯矩My的不同组合情况，共考虑4种荷载工况：工况一，最大轴压力工况；工况二，最小轴压力工况；工况三，顺桥向最大弯矩工况；工况四，横桥向最大弯矩工况。各工况的荷载组合见表3。

表2 节段模型的验算索力

表3 各工况的荷载组合

3.3 应力分析结果

为了避免节段上下端边界条件对应力分布产生较大影响，对中间3个节段（S15～S17和S15’～S17’对应节段）进行各荷载工况下的应力分析，重点分析混凝土隔板和非锚固侧壁的应力（见图7）。按照ABAQUS约定，应力值受拉为正，受压为负，应力单位为MPa。

3.3.1 最大轴压力工况

各控制截面混凝土隔板和非锚固侧壁的最大主拉、主压应力见表4。

3.3.2 最大轴压力工况

各控制截面混凝土隔板和非锚固侧壁的最大主拉、主压应力见表5。

图7 所示应力位置图

表4 各控制截面最大主拉、主压应力 MPa

表5 各控制截面最大主拉、主压应力 MPa

3.3.3 顺桥向最大弯矩工况

各控制截面混凝土隔板和非锚固侧壁的最大主拉、主压应力见表6。

表6 各控制截面最大主拉、主压应力 MPa

3.3.4 横桥向最大弯矩工况

各控制截面混凝土隔板和非锚固侧壁的最大主拉、主压应力见表7。

表7 各控制截面最大主拉、主压应力 MPa

3.4 分析结果

基于ABAQUS桥塔节段实体模型，在正常使用极限状态标准组合下，对桥塔混凝土进行了4个不同荷载工况的应力分析，并主要得到以下结论：

顺桥向最大弯矩工况为最不利荷载工况，隔板最大主压应力为7.8 MPa，非锚固侧壁的最大主压应力为8.3 MPa，均小于C50混凝土抗压强度设计值23.1 MPa，最大主压应力方向均沿截面法线方向，应力满足要求；隔板最大主拉应力为1.46 MPa，非锚固侧壁的最大主拉应力为1.74 MPa，均小于C50混凝土抗拉强度设计值1.83 MPa，最大主拉应力方向均与截面平行，因在计算中并未考虑塔柱中普通钢筋作用，且所取荷载皆为最不利荷载，故认为塔柱所配预应力束能满足要求。