矮塔斜拉桥索梁锚固区应力分析

摘要 矮塔斜拉桥索梁锚固区受力复杂，是桥梁设计安全的关键控制区域。文章依托（2×132 m）T构矮塔斜拉桥，采用实体有限元方法分析了锚固块、横梁、主梁顶板的应力状态。结果表明：在横梁设置横向预应力可有效降低横隔板局部拉应力、锚固块与腹板之间横向拉应力;锚固块与翼缘板交界处顺桥向拉应力偏大，加强此处顺桥型普通钢筋，可减小顺桥向拉应力、裂缝。

关键词 矮塔斜拉桥;索梁锚固区;有限元方法

中图分类号 U448.27 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）09-0139-04

引言

矮塔斜拉桥是采用斜拉索进行体外加劲的混凝土梁桥，具有塔矮、梁刚、索集中的结构特点[1-3]。拉索索梁锚固区承受着巨大的索力，极易出现较大拉应力和局部应力集中现象。锚固区域的纵桥向应力呈梯度分布，靠近施力区时增大，较远的位置则减小。锚固结构在纵桥向的水平面有剪力和弯曲应力出现，有平衡纵桥向力的作用。同时，水平面内的剪力和弯矩对锚固结构造成变形，引起横桥向的应力，结构处于复杂的空间受力状态[4]。索梁锚固区是桥梁设计安全的关键控制区域[5]。

为改善结构受力状况，该区域常布置一定数量的预应力钢筋，使其受力情况极为复杂[6]。铁路矮塔斜拉桥相较于公路矮塔斜拉桥有着活载占总荷载比例大、活载集度大等特点，这些特点对承受索力的索梁锚固区提出更高的安全要求。

为详细掌握索梁锚固区的锚固块、横梁、主梁顶板受力情况，有必要对索梁锚固区进行三维仿真分析，该文对（2×132 m）T构矮塔斜拉桥作详细分析，为同类桥梁索梁锚固区提供参考。

1 工程概述

某双线、350 km/h高速铁路的（2×132 m）T构矮塔斜拉桥，主梁为预应力混凝土变高梁，梁高7.0～13.0 m，采用C55混凝土，总体布置图如图1。全桥共设置18组斜拉索，拉索采用高强低松弛镀锌钢绞线，抗拉强度1 860 MPa，直径15.2 mm，梁上顺桥向锚点间距8.0 m，塔上竖向锚点间距1.5 m，拉索型号为15.2-73、15.2-61，采用冷铸锚张拉。斜拉索锚固于箱型主梁翼板下方的楔形锚固块上，同时在锚固块处设置箱内横隔板，横隔板设横向预应力，横向预应力布置如图2。由于该桥跨度大，索数少，单根最大索力达到7 964 kN，索力如表1。

2 有限元模拟

该文分析的计算工况：拉索初张工况（工况1）、成桥恒载工况（工况2）、主+附最不利荷载工况（工况3）。分析项目：锚固块局部主应力、锚固区横向拉应力、锚固区箱体应力状态。

选取了最靠近主塔且单束索力最小的A1索梁锚固区、中点处的A5索梁锚固区、最远离主塔且单束索力最大的A9拉索对应的索梁锚固区，建立索梁锚固块和邻近的2段主梁的实体模型。模型分为钢筋混凝土箱体、钢筋混凝土横隔板、钢筋混凝土锚固块、钢制锚垫板及预应力钢束5部分。经分析发现，A9拉索索梁锚固区受力最控制，故下文仅阐述A9索梁锚固区结果，A9索梁锚固区构造如图3、图4。

预应力钢束采用力筋法模拟，使用杆单元模拟预应力钢束，并通过节点耦合的方式与混凝土体刚性连接，而除预应力钢束的其他部分采用8节点实体单元模拟[7]。由于力筋法模拟预应力钢束会造成预应力钢束周边混凝土单元的应力过大，该桥结构预应力均采用后张法施工，故由力筋所导致的应力过大不存在实际意义，在分析中对涉及预应力钢束的部件不以此最大应力为判定条件。

模型边界条件分为两类，在进行索梁锚固区局部应力及锚固块局部应力分析时，选择箱体靠近主塔的一面并约束其所有自由度，形成悬臂结构;在计算锚固块处横向联系的局部应力时，为尽可能模拟横隔板与锚固块在横桥向受弯时的受力状况，选择箱体靠近主塔的一面并约束其顺桥向位移，同时约束箱体两侧底板下缘线的竖桥向、横桥向位移。

预应力采用等效温度法施加，通过在锚垫板与螺母的接触面上施加等效法向面荷载实现索力施加。为尽可能模拟局部节段的实际受力情况，箱体自由端一侧建立一参考点，并将其与箱体自由端表面形成刚性域，通过对参考点施加轴力与弯矩的方式，将轴力与弯矩均匀的施加至箱体自由端表面。模型中自重荷载通过施加惯性加速度实现，重力加速度g=9.806 m/s2，其他二期恒载及活载均作为面荷载或线荷载施加于箱梁顶板相应位置。

3 计算分析

3.1 锚固块局部主应力

由图5可知，在最不利工况中，锚固块最大主压应力达到了96.3 MPa，超过了C55混凝土容许压应力，但超限主压应力仅出现在空腔边缘极小范围，属于有限元分析中的应力集中现象，不存在实际意义，不以此局部最大主压应力作为受力安全的判定条件。除空腔边缘外，锚固块其他部位主压应力均小于19.1 MPa，均小于C55混凝土容许压应力，处于安全范围以内。

3.2 锚固区横向拉应力

由图6～图9可知，除预应力钢束锚固区，所有工况下，锚固块在横桥向处于全截面受压状态，无论最大主应力或最大横桥向应力均无拉应力出现。横隔板的最大主拉应力为2.24 MPa，最大横桥向拉应力为1.44 MPa。以不允许结构开裂为控制目标，锚固块与横隔板的最大拉应力均小于C55混凝土的容许拉应力0.7fct=2.31 MPa[8]，可以判定结构横向应力满足设计要求。在自重、索力与横向预应力作用下计算其顶板应力，横隔板处顶板尚保持受压状态，不存在开裂风险。

3.3 锚固区箱体应力状态

对于箱型梁，分别计算三种工况下的应力状态，其中拉索初张工况分别考虑是否张拉横向预应力两种状态，主+附工况分别考虑轴力最大、弯矩最大、轴力最小、弯矩最小4种情况，由于篇幅所限，仅列出最不利结果如图10。

由图10可知，通过先张拉横向预应力钢束后张拉斜拉索的方式，錨固块与腹板交界处的拉应力得到了缓解，但在拉索初张工况下，锚固块与翼缘板交界处拉应力超过了C55混凝土的容许拉应力0.7fct=2.31 MPa，其中最大拉应力达到了5.32 MPa。在翼缘板与锚固块交界处额外增设纵向钢筋且保证足够的锚固长度，可进一步降低局部拉应力、裂缝宽度。通过裂缝宽度验算之后发现，在翼缘板下缘设置直径为22 mm、间距为125 mm的纵向HRB400钢筋情况下，该处最大裂缝宽度为0.176 mm，小于0.2 mm的规范允许值，符合安全性需求。在主+附工况下，结构基本保持全截面受压状态，结构局部拉应力不超过0.30 MPa，符合结构安全性需求。

4 结语

该文通过对某高速铁路（2×132 m）T构矮塔斜拉桥索梁锚固区作实体有限元分析获得以下结论：

（1）索梁锚固区受力复杂，采用实体有限元方法分析锚固块、横梁、主梁顶板的应力状态是非常有必要的，分析结果可用于校核设计安全性并指导优化设计。

（2）在横梁设置横向预应力可有效降低横隔板局部拉应力，降低锚固块与腹板横向拉应力。铁路矮塔斜拉桥的拉索索力普遍偏大，锚固块与翼缘板交界处拉应力偏大，可采用加强此处顺桥型普通钢筋的方式减小顺桥向拉应力、裂缝。

参考文献

[1]刘士林， 王似舜. 斜拉桥设计[M]. 北京： 人民交通出版社， 2006.

[2]刘世忠， 欧阳永金. 独塔单索面部分斜拉桥力学性能及建设实践[M]. 北京：中国铁道出版社， 2006.

[3]梁爱霞. 矮塔斜拉桥斜拉索结构和受力行为研究[D]. 成都：西南交通大学， 2009.

[4]葛昆鹏. 斜拉桥索梁锚固区局部分析[D]. 成都：西南交通大学， 2015.

[5]王朝伦， 阳晓静， 王路， 等. 矮塔斜拉桥索梁锚固区局部应力分析[J]. 四川建筑， 2013（5）： 151-152+156.

[6]黄勇， 程晓东， 曾进忠. 斜拉桥索梁锚固区受力情况的三维有限元分析[J]. 桥梁建设， 2005（S1）： 120-123.

[7]黄俊豪， 刘世忠， 任万敏， 等. 铁路矮塔斜拉桥新型顶板锚固块结构优化[J]. 兰州工业学院学报， 2016（1）： 12-15+38.

[8]铁路桥涵设计基本规范： TB10002.1—2005[S]. 北京：中国铁道出版社， 2005.

收稿日期：2022-03-16

作者简介：雷敏（1983—），男，工学硕士，高级工程师，研究方向：大跨度桥梁。