钢锚梁索塔锚固区单节段有限元受力分析

韦勇克 陈啟婵

作者简介：

韦勇克（1971—），高级工程师，主要从事桥梁隧道设计工作;

陈婵（1989—），工程师，硕士，主要从事桥梁设计工作。

文章结合平南相思洲大桥工程实例，运用有限元软件对该桥索塔锚固区不平衡索力最大的节段模型进行计算，分析索塔锚固区水平荷载传递途径及受力特点。结果表明：钢锚梁与牛腿的连接方式对混凝土塔壁产生的拉应力最小;在不平衡索力作用下，特别是断索工况，混凝土塔壁会存在拉应力集中的现象，设计时应在索塔锚固区混凝土适当加强钢筋与预应力筋的布置。

斜拉桥;钢锚梁;牛腿;索塔锚固区;混凝土塔壁;断索

U448.21A411425

0 引言

近年来，钢锚梁以其受力明确、造价较低、施工方便快捷的特点，被广泛地应用在斜拉桥的索塔锚固区上。钢锚梁设置在索塔锚固区内部的牛腿上，主要承担塔端拉索的水平分力，拉索的竖向分力则通过牛腿传到混凝土塔壁，由混凝土桥塔承担[1-2]。

本文以平南相思洲大桥为背景，对索塔锚固区施工过程中钢锚梁与塔柱牛腿不同的约束连接方式进行有限元计算分析，通过对比更好地了解拉索水平分力在钢锚梁的传力途径、钢锚梁与混凝土塔壁间的受力分配。同时，进一步考察钢锚梁和塔壁的不利情况，分析断索工况下其受力特点。

1 工程概况

平南相思洲大桥主桥为双塔双索面组合梁斜拉桥，跨径布置为（40+170+450+170+40）m，结构整体为半漂浮体系，桥型布置见图1。桥塔形式为钻石型，南、北塔高均为147.3 m，分别设置2×20对斜拉索，全桥共160根。上塔柱为等截面箱型，外轮廓尺寸为7.0 m（顺桥向）×4.5 m（横桥向），横桥向侧面斜率为1/7.813 81（即7.293°）。拉索塔端的锚固设在上塔柱，均采用钢锚梁的锚固形式，每套钢锚梁平行于主塔设置。钢锚梁具体构造见图2。

2 索塔锚固区水平荷载传递途径及受力特点

钢锚梁与牛腿两者间不同的连接方式有着不同的荷载分配关系。钢锚梁与牛腿的连接及传力方式主要有以下的情况：

（1）滑動连接：钢锚梁与牛腿两者间通过设置四氟乙烯板，可形成纵向相对滑动的关系，拉索水平分力较大一侧会使钢锚梁紧贴塔壁，钢锚梁主要承受平衡水平分力，通过挡块将不平衡水平力传递至混凝土塔壁[3-4]。

（2）固定连接：超静定结构，钢锚梁与牛腿两者间处于固定状态，钢锚梁和塔壁在顺桥向上共同变形，水平荷载会根据变形协调原则分配，分别由钢锚梁和混凝土塔壁承担[4-6]。

（3）一端滑动连接、另一端固定连接：钢锚梁仍为主要受力结构，固定约束端支座将不平衡水平分力传递至混凝土塔壁[4-7]。此种结构的受力模式相对明了，也是本桥所采用的连接方式。

3 空间分析模型

3.1 有限元模型

建立索塔锚固区ANSYS有限元模型，以不平衡索力最大、结构受力最为不利的20#（荔浦侧）钢锚梁作为研究对象进行计算。模型中钢锚梁与牛腿各部分的钢结构板件均采用Solid187实体单元模拟，混凝土塔壁采用Solid65单元模拟，分析模型定义节点141 160个，单元132 040个。模型如图3所示。

3.2 荷载与边界条件

结构分析时施加的外荷载为自重与拉索索力。索力按施工顺序的一张、二张、成桥索力进行加载，索力转化为面荷载分别施加在对应的锚垫板的表面上。钢锚梁与钢牛腿两者间固结和滑动的连接均采用接触分析，采用接触单元Conta174与Targe170进行模拟。当为滑动模拟时，采用滑动端摩擦系数为0.05的滑动接触;当为固定模拟时，则设置为绑定接触。

3.3 分析工况

施工过程的分析主要根据钢锚梁与牛腿的不同连接方式进行计算比较。由于滑动连接的水平荷载分配关系较为简单，同时，基于本桥的构造特点，故本文研究的连接方式分别为固定连接与一端滑动、另一端固定的连接。具体工况如下：

（1）工况一：钢锚梁与牛腿的连接方式为张拉时中跨滑动边跨固定，张拉后中跨滑动端被固结起来，即成桥时两端固定的体系，也是本桥的设计方案。

（2）工况二：钢锚梁与牛腿的连接方式为张拉时边跨滑动中跨固定，张拉后也将边跨端固结起来。

（3）工况三：钢锚梁与牛腿的连接方式为从张拉到成桥，两端均为固定约束。

同时，为进一步考察钢锚梁和塔壁的不利情况，断索工况出现的概率虽然不高，但设计中应予以考虑与重视。

（4）工况四：假设锚固在钢锚梁边跨侧的斜拉索断裂，断索工况下，钢锚梁与牛腿两端均为固定体系。

4 计算结果

4.1 施工时混凝土塔壁的受力

钢锚梁与牛腿的连接方式处于一端滑动、另一端固定时，计算结果见表1～4中的工况一、工况二。固定连接时，水平索力的分配应由变形协调条件通过计算确定，计算结果见表1～4中的工况三。

索塔锚固区混凝土的应力较大，混凝土侧壁在拉索水平分力作用下主要承担水平分力的拉伸和弯曲作用，以塔壁内侧拉应力最大。根据上述各工况对比可知，工况一在中跨滑动边跨固定的连接方式下，塔壁内侧混凝土主拉应力值最小，成桥索力作用下为1.88 MPa。工况三两端均固定方式下，成桥索力作用下塔壁内侧主拉应力的最大值可达2.85 MPa。这主要是钢锚梁两端固定约束，部分拉索的水平力由钢牛腿传递至混凝土塔壁，从而引起牛腿背面的塔壁主拉应力集中。塔壁内、外侧主压应力相差不大，均在容许的范围内。

在不同索力下，采用不同钢锚梁与牛腿约束方式，混凝土塔壁内、外侧混凝土主应力变化趋势一致，由于约束条件直接影响斜拉索水平分力的分配比例，由计算结果可知，两端均固定的连接要比一端滑动、另一端固定的应力大。同时，对于钢锚梁仅一端固定、另一端先滑动的方式，计算结果表明中跨滑动边跨固定方式要优于边跨滑动中跨固定方式，其原因主要是中跨侧索力稍大于边跨侧。

从结构安全性和耐久性出发，本桥在中跨滑动边跨固定下，索塔锚固区混凝土仍存在一定范围内的拉应力，在混凝土索塔锚固区适当加强钢筋与预应力筋的布置是有利的。

4.2 施工时钢锚梁的受力

索塔锚固区中，钢锚梁承受较大的集中力作用，各板件计算结果见表5。不同约束条件钢锚梁应力有一些差距，但相差不大。钢锚梁作为拉索水平分力的主要受力结构，无论采用哪种方式其应力水平都比较合适，最大等效应力位于锚垫板开口边缘处，为277.4 MPa。工况一钢锚梁成桥索力的等效应力见图4。

同时，计算结果表明，三种工况的变形趋势和位移的分布基本相同（见表6）。由于钢锚梁整体抗弯刚度较大，钢壁板通过剪力钉和抗剪钢板与混凝土塔壁连接，面外弯曲刚度较高。钢锚梁在斜拉索水平分力作用下受拉伸变形，有一定的中拱变形，但位移量极少，可忽略。

4.3 断索工况的受力

断索工况下，塔壁承受运营阶段中跨端拉索水平分力，不计断索的瞬时冲击，中跨侧塔壁内侧出现应力集中，主拉应力最大值达3.93 MPa，塔壁外侧主拉应力最大值为2.63 MPa。断索的边跨端塔壁弯曲为主，边跨侧塔壁最大主拉应力为1.64 MPa。设计时在混凝土索塔锚固区应力较大的位置配置钢筋与预应力筋可避免产生的不利影响。

断索工况下，钢锚梁与牛腿的连接方式为固结连接，钢锚梁的最大等效应力为302 MPa（见图5），最大应力同样位于锚垫板开口边缘处。设计时锚垫板采用Q420D钢材，断索工况出现的概率比较低，其仍能使安全得到保证。

5 结语

（1）钢锚梁与牛腿的约束条件会影响斜拉索水平分力的分配比例。平南相思洲大桥索塔锚固区张拉时中跨滑动边跨固定，张拉后两端固定约束。计算表明，此种连接方式对混凝土塔壁产生的拉应力影响最小，有利于施工过程中混凝土索塔锚固区的受力。

（2）在不平衡索力作用下，特别是断索工况，在混凝土塔壁内、外侧存在拉应力集中现象，在索塔的锚固区混凝土内应适当加强钢筋、预应力筋的布置。

（3）钢锚梁是拉索水平分力的主要受力结构，设计满足要求。

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