大跨度斜拉桥索塔及锚固区受力分析

李建民

(湖南辰溪县公路建设养护中心，湖南 怀化 419500)

0 引 言

斜拉桥索塔锚固区是将拉索的局部集中力安全、均匀地传递到塔柱全截面的主要构造。由于索塔钢锚箱锚固方式构造复杂、传力路径多、应力分布不均匀、破坏机理复杂，空间受力效应明显，设计时一般只能采用有限元数值分析结合模型试验进行验证，目前，国内外学者已经开展了相关研究，熊华涛[1]对斜拉桥钢锚箱受力性能进行了详尽分析，并通过遗传算法对板件尺寸进行了优化，降低了钢锚箱的应力水平；魏顺波，潘凡[2]等人基于圣维南原理，开展了武汉九龙大桥局部受力研究，明确了各板件的局部受力特征；逯文茹，赵敏[3]等人分别考虑了单节段和多节段索力作用下锚固结构的受力特征及索力分配机制；吕文舒、陈星烨、张祖军[4]等人研究了斜拉桥钢锚箱局部力学效应并给出了板件尺寸的优化方案；众多学者已经对钢锚箱的力学性能、疲劳效应、构件构造等进行了详尽研究，取得了较为丰富的研究成果。但由于钢锚箱结构本身的复杂性，仍存在一些问题有待进一步研究。如：在有限元计算方面主要混凝土索塔钢锚箱的计算方法基本采用平面框架简化计算方法和节段局部空间有限元模型，没有建立整个索塔和钢锚箱空间实体有限元模型；缺少对钢锚箱和混凝土塔壁两者之间的连接件及不同连接件的受力分析等[5，6]。基于此，以上海长江大桥为研究对象，建立全索塔(含锚固结构)空间有限元模型，探究索塔及锚固结构的力学规律，为大跨度斜拉桥锚固结构分析提供一种新的思路。

1 工程概况

上海长江大桥桥跨布置为(107+243+730+243+107)m，采用五跨连续全飘浮体系，空间双索面布置。梁体采用分离式双主梁，间距为10 m，截面形式为扁平钢箱梁。主塔分为桥面以下的下塔柱、锚索区的上塔柱、其间的中塔柱三部分；主塔塔柱为钢筋混凝土箱形断面，下塔柱由两个单箱单室渐变成一个单箱单室，塔根部单箱结构外尺寸：12 m(顺桥向)×14 m(横桥向)；中塔柱及上塔柱为单箱单室断面，结构外尺寸：9 m×9 m～7.4 m×7.4 m(塔顶)，四角设1.2 m×1.2 m的倒角。斜拉索采用空间扇形双索面布置形式，全桥共192根斜拉索。索塔锚固区节段总长56.55 m，共23个钢锚箱节段，节段高2.3～3.2 m，节段1位于索塔锚固区的底部，节段23位于索塔锚固区的顶部。

2 有限元模型建立

有别于以往对索塔锚固区数值模拟时仅建立钢锚箱局部模型的方法，拟建立含索塔—钢锚箱—剪力钉一体的有限元模型，用以对索塔锚固区钢锚箱板件及索塔混凝土进行详尽受力分析，同时也能尽可能减少外荷载、边界之间的复杂转化，有利于提高计算准确性。使用ANSYS APDL建立索塔锚固区有限元模型，Solid45单元模拟索塔混凝土实体部分及锚固区钢垫板，Shell63单元模拟锚固区钢锚箱，为实现钢锚箱上剪力钉与索塔混凝土部分的有效粘结，使用Targe170和Conta173单元模拟两者接触和摩擦，剪力钉使用COMBIN39弹簧单元模拟，各方向的刚度通过赋予弹簧单元的阻尼值模拟。索塔底部约束XYZ三个方向的平动和转动自由度，索力施加以等效面荷载的形式模拟，索力值采用设计成桥索力。

3 受力分析结果

3.1 钢锚箱

分别取短期效应、长期效应、标准组合效应三种计算工况，图1给出了钢锚箱中跨端板、边跨端板竖向应力以及侧板水平应力结果，计算结果表明：在支承板下部端板受压较大，在支承板上部端板局部受拉，在底部端板受压最大，主跨端板最大压应力达240 MPa，边跨端板最大压应力达150 MPa；钢锚箱侧板总体呈受拉趋势，见图1(c)，其中顶部21、22号节段受拉最大，侧板与支承板相连位置存在应力集中现象，且随着索塔高度增加，应力集中现象越明显。

图1 钢锚箱各板件在三种荷载下应力分布(单位：kPa)

根据图1计算结果，塔顶位置部分承压板拉压应力均处于较高水平，取塔顶部分节段作为研究对象，分析在标准荷载组合下承压板VON MISES应力分布情况，见图2。其中图2(a)表示塔顶19#～22#节段主跨侧承压板VON MISES应力分布，左侧为承压板上表面，右侧为下表面；图2(b)表示19#～22#节段边跨侧承压板VON MISES应力分布，左侧为承压板上表面，右侧为下表面。分析结果表明：在与支承板交界处局部区域，受应力集中的影响，承压板VON MISES应力已经超过了315 MPa，在支承板和加劲板以外的承压板的VON MISES应力大部分在140 MPa以下，承压板边缘部分灰色区域表示VON MISES应力都在50 MPa以下。

钢锚箱板件众多，传力机理复杂，在巨大的索力作用下，往往存在多方向上的应力分布，其中加劲板作为端板、承压板等主要承力板件的连接构造，其受力性能亦不能忽视。本文取应力水平较高的塔顶20-23号4个节段加劲板作为研究对象，荷载工况取标准荷载组合，为4个节段主跨加劲板VON MISES应力分布，为4个节段主跨加劲板VON MISES应力分布。中跨加劲板和边跨加劲板应力分布规律基本类似，在靠近承压板的连接位置存在明显应力集中，最高达到了250 MPa，索塔越高，应力集中现象越明显，其他区域应力分布较为合理，大部分均在160 MPa以下。

图2 塔顶4个节段承压板上下表面VON MISES应力分布(单位：kPa)

3.2 索塔混凝土

在进行索塔锚固区受力分析时，不仅需要对钢锚箱各板件进行受力分析，混凝土索塔的受力也值得关注。取塔顶20#～23#共4个节段索塔作为研究对象，计算工况取标准荷载组合。给出了在各个方向上的主拉应力分布，顺桥向塔壁内侧大部分受拉，除应力集中区域外，最大名义主拉应力2.53 MPa，应力集中区域则主要分布在塔壁拐角位置及中间凹槽位置；主跨及边跨外塔壁外侧区域基本处于全受拉状态，凹槽处最大拉应力达10 MPa，凹槽以外应力集中现象迅速减轻，最大拉应力降低至4 MPa以下。在塔壁拐角及凹槽位置应加强配筋，避免应力集中导致开裂。

3.3 稳定性分析

考虑到塔底的钢锚箱结构承受了巨大的拉索竖向作用力，各板件的稳定性问题不容忽视，取塔底1#～2#节段钢锚箱为研究对象，计算其前5阶模态，对结构稳定性进行评估。

表1 1#～2#节段钢锚箱前5阶屈曲系数

根据表1计算结果可知，由于斜拉索竖向分力的集中作用，钢锚箱前5阶屈曲系数明显偏低，钢锚箱的主要承重板件均出现屈服，其中5阶屈曲模态分别为：边跨侧侧板屈曲、主跨侧侧板屈曲、1、2节段连接位置侧板面外屈曲、1、2节段连接位置侧板扭转屈曲、1#、2#节段连接部主跨侧侧板面外屈曲。这是因为索塔中下部区域的斜拉索索力过大，竖向分力直接作用于钢锚箱上，而钢锚箱侧板作为直接受力板件，更容易出现失稳现象。在设计时应对侧向板件做加强处理。

4 结 论

在进行如索塔钢锚箱结构局部分析时，仅仅考虑钢锚箱本身，会存在边界条件、外荷载转化复杂等问题，从而导致计算结果误差较大，应力失真，而建立索塔—钢锚箱一体的空间有限元模型则可以较好解决以上问题。

通过建立索塔—钢锚箱一体化模型，分析了多种计算工况下钢锚箱板件及索塔混凝土的力学性能，计算结果表明：塔顶区域钢锚箱承压板及连接板件应力水平较高，且存在应力集中现象；索塔混凝土塔壁顺桥向内侧、横桥向外侧大部分区域受拉，索塔凹槽处有明显应力集中现象，最大应力达10 MPa。

从塔底钢锚箱稳定性分析结果可知，塔底钢锚箱侧板承受了较大竖向力，容易出现屈曲失稳，在设计时应予以重视。