某钢桁加劲梁斜拉桥索塔锚固区节段模型有限元分析

李　雁

(中铁第四勘察设计院集团有限公司　武汉　430063)

某钢桁加劲梁斜拉桥索塔锚固区节段模型有限元分析

李雁

(中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉430063)

摘要以某钢桁加劲梁斜拉桥为背景，利用有限元软件对索塔锚固区进行受力分析。通过增大预应力损失，分析比较混凝土索塔的受力情况。结果表明：混凝土索塔锚固区配置预应力是必要的。当预应力损失为40%时，使塔壁混凝土最大主拉应力大于容许主拉应力，开始产生裂缝。预应力损失的增加，使塔壁混凝土最大主压应力减小，但均满足规范的要求。塔壁混凝土在预应力束张拉、锚固端和斜拉索锚固端均表现为应力集中，应对其进行加强处理。

关键词加劲梁斜拉桥索塔锚固区预应力损失有限元分析

在斜拉桥混凝土索塔的拉索锚固区，为平衡拉索传递的水平分力，并防止塔柱在使用荷载下出现过大裂缝，通常在索塔箱壁内设置U形环向预应力束。由于索塔尺寸的限制，预应力束曲线段半径通常很小，其半径在 1.5 m左右[1]。

目前，由于这种大吨位小半径环向预应力弯曲角度比较大，其预应力损失也较大。考虑施工过程中的种种因素，索塔锚固区U形环向预应力束的有效预应力较我国现行规范计算的要少[2-3]。本文以某钢桁加劲梁斜拉桥为背景，利用有限元软件对索塔锚固区进行建模分析[4]，进而确定预应力损失的极限值，为类似桥梁索塔U形环向预应力束的设置提供参考。

混凝土索塔纵桥方向壁厚为1.2 m，横桥方向索塔壁厚为0.8 m。在2.5 m高度范围内，布置4根U形环向预应力束，其平面布置示意见图1。

图1　混凝土索塔锚固区环向预应力束

1空间分析模型

1.1　有限元模型

计算采用Midas FEA程序，自索塔顶部到底部建立3个节段(3对索)局部模型，索塔混凝土采用体单元，预应力束采用钢筋梁单元，未模拟普通钢筋，模型共计18 140个节点，82 746个单元。节段全模型见图2，预应力束模型见图3。

图2　索塔节段全模型

图3　预应力束有限元模型

1.2　计算参数

(1) 混凝土。采用C50，根据相应规范取其材料参数。

(2) 荷载。自重及3个节段共计6根索力，采用主塔塔顶最大索力以实际空间角度按等效节点荷载施加于主塔锚固区，见表1。

表1　索力荷载参数表

(3) 边界条件。由于模型节段一共3段，边界对上面部分节段影响小，故采用节段模型底部固结的边界约束条件。

1.3　荷载工况

考虑预应力损失，分别对各工况下主塔受力情况进行分析，荷载工况见表2。

表2　索塔混凝土预应力损失工况

1.4　容许应力

(1) 容许主拉应力。《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)第6.3.1条，对于A类和B类预应力混凝土现场浇筑构件，在作用短期效应组合下，C50混凝土容许主拉应力为0.5ftk=0.5×2.65=1.33 MPa。

(2) 容许主压应力。参考《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)，C50混凝土容许主压应力为0.6×32.4=19.44 MPa。

(3) 混凝土的正截面容许拉应力(名义拉应力)。参考《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)第6.4.2条，部分预应力B类受弯构件的裂缝宽度，可用构件受拉边混凝土的名义拉应力控制。钢筋混凝土构件和B类预应力混凝土构件，其计算的最大裂缝宽度不应超过0.1 mm。

(4) 考虑到大跨度斜拉桥的重要性，裂缝宽度按0.1 mm限制。则对于C50混凝土预应力后张构件，构件高度大于1 m，混凝土容许名义拉应力为5.0×0.7=3.5 MPa，这个拉应力应该对应的是正截面拉应力。

依据上述分析，斜拉桥主塔塔壁C50混凝土容许应力见表3。

表3　C50混凝土容许应力　MPa

注：容许主压应力和正截面容许拉应力供参考，不要求必须满足。

2计算结果

为消除边界条件的影响，从3个节段中取第一节段计算结果进行分析，以下各应力云图单位均为MPa。由于篇幅限制，仅列出工况1、工况5和工况6的计算结果。

(1) 计算结果。工况1。塔壁主拉(压)应力见图4～图7。

图4　无预应力损失混凝土P1应力云图

图5　无预应力损失混凝土P3应力云图

图6　无预应力损失混凝土纵桥向应力云图

图7　无预应力损失混凝土横桥向应力云图

由图4～图7可见，在工况1情况下，除去应力集中位置，索塔最大第一主拉应力为0.14 MPa，发生在塔壁开孔位置附近。最大第三主压应力为16.11 MPa，发生在斜拉索锚固位置附近。主塔长边正中纵桥向应力为-7.51 MPa，主塔端边边跨侧正中横桥向应力为-1.10 MPa。

(2) 计算结果。工况5。塔壁主拉(压)应力如图8～图11。

图8　预应力损失40%时混凝土P1应力云图

图9　预应力损失40%时混凝土P3应力云图

图10　预应力损失40%混凝土纵桥向应力云图

图11　预应力损失40%混凝土横桥向应力云图

由图8～图11可见，在工况5情况下，除去应力集中位置，索塔最大第一主拉应力为1.33 MPa，发生在塔壁开孔位置附近。最大第三主压应力为16.03 MPa，发生在斜拉索锚固位置附近。主塔长边正中纵桥向应力为-3.87 MPa，主塔端边边跨侧正中横桥向应力为1.32 MPa。

(3) 计算结果。工况6。塔壁主拉(压)应力见图12～图15。

图12　预应力损失100%时混凝土P1应力

图13　预应力损失100%时混凝土P3应力

图14　预应力损失100%时混凝土纵桥向应力

图15　预应力损失100%时混凝土横桥向应力

由图12～图15可见，在工况6情况下，除去应力集中位置，索塔最大第一主拉应力为6.37 MPa，发生在塔壁开孔位置附近。最大第三主压应力为15.82 MPa，发生在斜拉索锚固位置附近。主塔长边正中纵桥向应力为2.89 MPa，主塔端边边跨侧正中横桥向应力为6.30 MPa。

(4) 计算结果比较。索塔混凝土各部分应力计算结果比较见表4(其中主拉、压应力均去掉了应力集中值)。

表4　索塔混凝土各工况结果比较一览表　MPa

注：-表示压应力；+表示拉应力。

3结论

(1) 随着预应力损失的增加，塔壁混凝土最大主拉应力增大，塔壁配置预应力是必要的。

(2) 当预应力损失为40%时，塔壁混凝土最大主拉应力为1.34 MPa，位于塔壁开孔位置附近，大于容许主拉应力1.33 MPa。

(3) 随着预应力损失的增加，塔壁混凝土最大主压应力减小，但幅度不大。各索塔混凝土最大主压应力为16.11 MPa，满足不超过0.6×32.4=19.44 MPa的规范要求。

(4) 塔壁混凝土在预应力束张拉、锚固端和斜拉索锚固端应力均集中，应对其进行加强处理。

参考文献

[1]李国平.预应力混凝土结构设计原理[M].北京：人民交通出版社,2000.

[2]叶见曙.结构设计原理[M].北京:人民交通出版社,1997.

[3]蔡晓明,张立明,何欢.矮塔斜拉桥索鞍受力分析[J].公路交通科技,2006(3):53-55.

[4]丁淑蓉,阮江涛,佟景伟,等.预应力钢索与索道孔壁接触压力的模拟研究[J].中国公路学报,2005(10):59-61.

收稿日期：2015-01-29

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.009