桥梁锚碇预应力锚固系统数值仿真研究

王 宇 董必昌

(1.中国科学院武汉岩土力学研究所 武汉 430071; 2.武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

近年来，随着预应力混凝土技术水平的不断提高，其在桥梁上得到了广泛的应用，尤其对于某些悬索桥，其锚碇系统更是采用了大量预应力锚索技术[1-4]。然而，对于这些锚索受力，很多时候受制于其复杂的结构及力学机制[5-6]，对它们进行力学分析时往往进行了大量简化，使得计算精度大打折扣。事实上，锚碇中预应力锚索受力状态复杂，锚索与混凝土存在着复杂的相互作用，要想准确获得锚索系统受力状态，应当建立三维的混凝土-锚索有限元模型，尤其应当模拟实际的预应力状态，否则计算结果将会不尽人意。本文以江津中渡长江大桥南锚碇预应力锚固系统为研究对象，建立三维有限元模型，开展相关研究。

1 工程概况

重庆市江津区中渡长江大桥为连接滨江新城与主城区之间的快捷通道。主桥为主跨600 m双索面悬索桥，主缆跨径176 m+600 m+140 m(边跨无吊索)，主梁跨径50 m+600 m(2跨连续)。南锚碇采用混凝土重力式锚体、沉井基础，散索鞍中心高程为213.207 m，南岸锚碇基础采用矩形沉井基础方案，沉井长和宽分别为57.9 m和45.4 m(第一节沉井长和宽分别为58.3 m和45.8 m)，底节沉井平面共分25个孔。南锚碇沉井高23.5 m，分4节，第一节钢壳混凝土沉井，高6 m，第二至第四节均为钢筋混凝土沉井，除第四节为5.5 m外，其余2节为6 m。封底混凝土厚度为8 m，沉井顶面标高为+200.569 m，基底标高为+177.069 m。南锚沉井基础构造见图1。

图1 南岸锚碇构造图(单位：cm)

南锚碇锚固系统由索股锚固拉杆构造和预应力钢束锚固构造组成。在前锚面位置拉杆一端与索股锚头上的锚板相连接，另一端与被预应力钢束锚固于前锚面的连接器相连接。索股锚固拉杆构造采用单锚头类型，单锚头类型由2根拉杆和单索股锚固连接器构成，每根主缆两端有65个单锚头类型的索股锚固拉杆构造。预应力钢束锚固系统构造由预应力钢束和锚具组成，预应力管道埋设于锚块内。对应于单锚头类型连接器选用15-16预应力钢束锚固，预应力钢束锚具采用特制15-16型锚具。

2 有限元模型

2.1 模型建立

采用大型有限元软件ANSYS14.0对南锚碇进行建模计算，混凝土均采用SOLID185单元，预应力锚索采用LINK180单元。根据对称原理，仅取横桥向一半结构进行计算，共划分为31 278个节点，159 118个单元。为显示锚室内部及锚索位置，特对比显示带侧面盖板和不带侧面盖板2种模型图，具体可见图2。图2b)中锚室黑色阴影部分即为65根锚索通过位置，锚索具体分布见图3。

图2 南锚碇单元划分图

图3 锚索分布图

2.2 预应力的模拟

模型中建出锚体内的预应力钢束，预应力单元与混凝土单元先各自独立建立，不共用节点，然后将预应力单元节点在容差范围内与多个混凝土单元节点建立多组约束方程，使其共同作用。预应力效应通过对杆单元降温实现，降温Δt按式(1)算得。

(1)

式中：α为预应力筋的线膨胀系数；σcon为有效的张拉应力(考虑损失后)，σcon取值按扣除预应力损失后的有效张拉应力施加。

本模型中预应力由65根锚索施加，有效预应力为1 004.35 MPa。

2.3 材料参数取值及本构关系

锚锭中锚索材料采用线弹性模型，索的弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.22，密度为7 800 kg/m3。混凝土采用线弹性模型，混凝土采用C30，考虑配筋作用，乘以1.2倍放大系数，取弹性模量为36 000 MPa，泊松比0.25。混凝土容重取25 kN/m3，由于未考虑相应位置倒角，故取放大系数1.05，最终按26.25 kN/m3输入[7]。

表1 模型参数表

2.4 荷载施加和边界条件

对上述模型最不利工况进行分析，该工况荷载包括锚碇系统自重、预应力、主缆力、引桥竖向力。其中，自重按材料容重施加；有效预应力按1 004.35 MPa施加；引桥竖向力按3 343.89 kN作用于锚室顶面上(2个0.5 m×0.5 m)；主缆力按单根主缆拉力为107 679.649 kN施加于预应力单元在前锚面的节点(共65个节点)，单个节点集中力为1 656.61 kN；桥墩竖向作用力因对阻止锚碇向前倾覆起有利作用，在这里不予考虑。

在边界条件方面，约束对称面上所有节点的横桥向位移(图中Z向位移)；约束沉井底部所有节点的3个方向的线位移。

3 计算结果分析

有限元受力图见图4、图5。

图4 主应力

图5 Von-Mises应力

由图4、图5可见，在荷载作用下，最大主拉应力为1.97 MPa，最大主压应力为5.2 MPa；最大 Von-Mises应力为4.49 MPa, 小于C30混凝土轴心标准抗压强度20.1 MPa以及C30混凝土轴心抗压设计值14.3 MPa。由于整个锚碇结构中沉井及锚体在设计上采用C40混凝土，C40混凝土轴心标准抗压强度为26.8 MPa，轴心抗压强度设计值为19.1 MPa，因此材料是安全的，具有足够的安全储备。

(2)

即钢筋应力为55.1 MPa，远远小于钢筋设计抗拉强度280 MPa, 钢筋应力在允许范围之内，且富余较大。

4 结论

1) 对预应力锚固系统建立复杂的三维有限元模型，锚索预应力的施加通过杆单元降温的方式实现，最后也能得到较理想的结果。

2) 对江津中渡长江大桥南锚碇系统的研究表明，在荷载作用下，钢筋最大拉应力为1.97 MPa，混凝土最大压应力为5.2 MPa，均满足设计要求。