混凝土自锚式悬索桥主缆锚固区应力分析

文清良 ，廖东阳

（1.同济大学，上海 200092；2.上海林同炎李国豪土建工程咨询有限公司，上海 200092）

0 引言

混凝土自锚式悬索桥因其造型美观，后期维护费用较低，不局限于地基差、锚锭修建困难的地区，近年在国内取得快速发展。其主缆锚固区是将主缆索力安全传递到主梁的重要部位，为平衡强大的索力，通常需要在锚固区布置预应力束，为使锚固区的受力更加合理，还必须优化其结构尺寸和预应力的布置形式、数量，这使得锚固区的受力更加复杂。为准确了解锚固区的应力分布状况，必须对其进行精细的有限元仿真分析。本文以张家港镇山大桥主桥工程为例，利用有限元程序对其主缆锚固区进行空间分析，总结了此类桥梁主缆锚固区的受力特点，为此类桥梁的设计者提供参考。

1 工程概况

镇山大桥位于张家港滨江新城，跨越张家港河，道路等级为城市主干路，机动车道为双向6车道，两侧各有3 m宽的人行道和3.5 m宽的非机动车道，桥面总宽44 m。主桥是一座双塔混凝土自锚式悬索桥，主跨120 m，边跨50 m，全长220 m（见图1）。主梁为三跨预应力混凝土连续边箱结构，梁高2.28 m，左右边箱通过T形梁连接，桥面板厚0.28 m；主缆中心距28.5 m，吊索沿顺桥向间距4.9 m；索塔为H形钢筋混凝土构件，塔柱为实心矩形截面；基础为桩基础。主缆锚固于主梁两端，锚固构造如图2所示。

2 锚固区的计算模型和边界条件

图1 主桥结构布置图

图2 主缆锚固区构造图

主缆锚固区局部应力分析采用有限元程序midas FEA计算，为避免边界效应的影响，计算模型所取范围较大，其纵向取从主梁端部到向主跨方向的第五根吊杆位置（约37.7 m），其横向取桥宽的一半（另一半对称），竖向按梁的实际高度情况变化，计算模型的尺寸与桥梁实际尺寸相同。总体坐标系x方向为桥梁纵向，y方向为横向，z方向为竖向。计算模型见图3所示。

图3 主缆锚固区计算模型

主缆、吊杆的锚固点作为均布压力加载在与锚垫板面积一致的混凝土表面（索力和吊杆力取最大值作为计算值），散索鞍的压力均布加载在鞍座底部，横梁作为均布剪力加载在横梁与主梁的混凝土接触面，桥面系荷载均布加载在桥面，分析中考虑了扣除损失后的预应力效应（预应力布置见图4），未考虑普通钢筋对结构的影响。计算中将整个结构视为匀质弹性体，混凝土弹性模量取34500 MPa，泊松比取 0.2，容重取 26 kN/m3，预应力筋弹性模量取1.95 GPa，泊松比取0.3，容重取78.5 kN/m3。

图4 主缆锚固区三向预应力布置图示

混凝土采用实体单元，预应力筋采用钢筋单元，均有x、y、z三个方向的自由度。纵向主梁的远端约束纵向、竖向的平动位于和绕三个方向的转角位移，端横梁远端为对称约束，边墩支座处约束竖向位移。

3 锚固区混凝土的应力结果

由于在边界条件的附近，实体模型计算结果容易失真，而模型的中间主缆锚固区部分较能真实地反应结构的受力情况，因此，计算结果仅取模型的中间主缆锚固区范围的计算结果作为应力分析值。

图5为主缆锚固区纵向应力分布图。从图5可以看出，由于主缆和纵向预应力的作用，锚固区混凝土纵向以受压为主，在预应力未布置到的地方，混凝土存在较小的拉应力，这些地方需要依靠普通钢筋防止混凝土开裂。

图5 主缆锚固区纵向应力分布图

图6为主缆锚固区横桥向应力分布图。从图6可以看出，由于横向预应力的作用，锚固区混凝土横向以受压为主，锚固区下方的一个预应力粗钢筋锚固点附近，产生了较大的拉应力，设计需要对此加强普通钢筋布置。

图6 主缆锚固区横桥向应力分布图

图7为主缆锚固区竖向应力分布图。从图7可以看出，由于主缆和竖向预应力的作用，锚固区混凝土竖向以受压为主，拉应力均出现在竖向预应力筋未布置到的地方，这些地方需要依靠普通钢筋防止混凝土开裂。在锚固区底部的支座部位（该处设有边界条件），有一较大的集中压应力，设计中，该处应注意设置支座垫板和加强钢筋网片。

图7 主缆锚固区竖向应力分布图

4 结语

通过对镇山大桥主缆锚固区的三维有限元实体模型的分析可以看出，混凝土锚固区的截面设计和预应力布置是合理的，能够较好地抵抗锚固区所承受的复杂外力作用。在预应力筋的锚固点和支座附近，应力集中现象较为明显，应该在这些部位采取钢垫板、加强普通钢筋布置等措施，以防止混凝土开裂和影响结构的耐久性，确保结构安全。

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