环向预应力筋对斜拉桥索塔锚固区的受力影响分析

郑津津

(福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004)

1 引言

近几十年， 斜拉桥由于其优秀的跨越能力和优美的造型而得到广泛应用， 本文以安海湾特大桥主桥索塔为例，在采用钢牛腿-钢锚梁组合锚固结构的基础上，同时在混凝土锚固区加设相应的环形预应力筋， 此举为结构提供了一定的安全储备，但是相应地提高了工程预算，而且塔内环向预应力筋施工步骤繁琐， 对施工进度造成一定的影响。本文旨在通过对比分析，了解环向预应力筋的设置与否对索塔锚固区以及钢牛腿-钢锚梁组合锚固结构的受力影响程度， 明确环向预应力筋对结构安全储备的提升情况， 为下一步平衡结构的安全储备和工程预算的关系提供理论基础。

2 工程概况

安海湾特大桥主桥是平行双索面叠合梁双塔斜拉桥，跨径组合为(135+300+135)m=570m，纵桥向的索面布置为扇形索。 主梁采用双工字型钢主梁与混凝土板共同受力的组合梁，两者之间通过剪力钉实现共同受力。双工字型钢主梁高2.8m，横向中心间距为34m，混凝土桥面板板厚均为28cm，主梁全宽40m；主桥索塔呈似H 形，采用C50 混凝土进行浇筑，各桥塔上均布置有12 对斜拉索。

3 有限元计算模型

钢锚梁-钢牛腿组合锚固结构是斜拉桥的主要受力构件之一，承受拉索的绝大部分水平分力，对其进行局部构件分析具有重要的工程意义。 采用有限元分析软件对钢锚梁锚固区的受力特性进行分析时， 若建立整个索塔和所有的钢锚梁将会带来巨大的计算量， 所以本文综合考虑了分析模型的计算量与分析的准确性， 并根据圣维南原理，选取索力最大的尾索B12 至B8 与B9 中间的节段进行分析，且不考虑B12 以上的塔冠节段，避免了边界条件对索塔锚固区段应力分析造成的影响；而钢锚梁-钢牛腿组合锚固结构则选取受力最大的B12 钢锚梁作为研究对象。

3.1 基本信息

本文采用MIDAS/FEA 进行建模，混凝土索塔、钢横梁和钢牛腿均采用四面体实体单元进行模拟， 为提高分析精度，划分网格时，在关键相邻部位都采用加密处理，同时建立相应的预应力精扎螺纹钢筋单元， 共建立了211196 个单元。 建立的索塔锚固区节段模型和B12 钢锚梁模型如图1 所示。

混凝土索塔本构采用Mohr-Coulomb 模型，任意平面上的极限剪切应力假设只与同一平面上的法向应力相关，根据Mohr 的标准，当最大的Mohr 圆与Coulomb 的屈服面相切的瞬间，材料会进入屈服，这意味着第二主应力对屈服标准没有影响。

钢锚梁-钢牛腿组合锚固结构材料本构采用von Mises 模型，该模型认定剪切应力达到纯剪切的屈服应力时材料进入屈服状态， 而屈服面在主应力空间与静水压轴平行的圆柱体。 Midas FEA 的von Mises 模型支持对于屈服应力的硬化行为， 硬化行为可以用多重线性函数来定义。

3.2 工况划分分析

通过全桥模型的整体受力分析， 分析计算在施工阶段最不利工况、成桥状态、运营阶段基本组合工况以及单侧受力工况下相应的尾索拉力分别为4800kN、4793kN、7348kN 和9606kN， 考虑到文章篇幅的限制和深入研究的针对性， 本文仅对双侧受力较大的运营阶段基本组合和单侧受力工况进行分析研究。 运营阶段基本组合工况以及单侧受力工况下相应施加于螺母上的均布力具体如表1 所示。

图1 有限元模型

表1 分析工况施加力表

4 索塔锚固区应力分析对比

4.1 运营阶段受力分析

本文采用第一强度理论和第三强度理论对混凝土索塔进行应力分析，也就是考虑混凝土材料的主拉、主压应力以及切应力。

有无预应力索塔锚固区在运营阶段基本组合工况下的第一、三应力分布对比情况如图2～3 所示。 可以看出：两种情况下的结构整体应力分布规律基本一致， 均在与内嵌钢板接触位置的折点处存在应力集中现象， 但是与施加环向预应力筋状态对比，在无预应力筋状态下，结构局部的最大主拉应力增大至36.4MPa，增大了9.7%，而最大主压应力减小至63.7MPa，减小了30.8%。

图2 索塔锚固区第一主应力分布情况

图3 索塔锚固区第三主应力分布情况

4.2 单侧受力工况分析

单侧受力工况下， 索塔锚固区在有无预应力筋状态下的第一、 三应力分布情况对比如图4～5 所示。 可以看出：二者的应力分布规律一致，应力集中位置均位于索塔锚固区的折角上；在无预应力筋状态下，混凝土索塔锚固区的局部最大主拉应力值达到71.7MPa，相对于有预应力筋状态增大了5.1%， 而局部最大主压应力为119MPa，相对于有预应力筋状态，无预应力筋状态下减小了19.6%。

5 各工况分析结果

由于篇幅限制，且环向预应力筋的设置对钢牛腿-钢锚梁组合锚固结构的受力影响较小， 文中仅列出索塔锚固区及钢牛腿-钢锚梁组合锚固结构在有无加设环向预应力筋状态下各工况局部最大应力值，如表2 所示。

图4 索塔锚固区第一主应力分布情况

从表2 可以看出：环向预应力筋的设置与否，对混凝土索塔锚固区的受力影响比较大， 尤其对于结构在双侧受力情况下的主压应力影响最大，降幅达到了30.8%，这是由于在拉索水平分力及环向预应力筋作用下， 混凝土处于双向受压状态，其受压应力会有所增大，但是环向预应力筋的设置主要是为了协助混凝土索塔共同承受来自拉索的水平分力，对于混凝土材料而言，在拉索水平分力作用下，抗拉性能才是其首要解决的问题，而在无环向预应力筋状态下，结构的主拉应力有所增大，这无疑增加了结构的安全隐患， 所以设置环向预应力筋对于索塔锚固区的保护起到一定的作用；而对于钢牛腿-钢锚梁组合锚固结构的影响主要集中在以承受拉力为主的平衡梁结构上，且其最大局部应力差值也在10%以内，影响较小，对于其余以受压为主的部件几乎没有影响。

图5 索塔锚固区第三主应力分布情况

表2 有无加设环向预应力筋各结构局部最大应力值一览表

6 结论

在采用钢牛腿-钢锚梁组合锚固结构的基础上，环向预应力筋的设置与否对混凝土索塔锚固区的受力影响较大， 设置环向预应力筋可以一定程度上降低混凝土索塔的主拉应力，但是降幅效果比较有限，说明在运营阶段基本组合工况下，环向预应力筋主要起到安全储备的作用，在承受拉索索力上的贡献较小；而对钢牛腿-钢锚梁组合锚固结构的影响主要体现在以受拉为主的平衡梁结构上，对于其他以受压为主的组成构件几乎没有影响，说明环向预应力筋主要影响结构纵桥方向上的力学性能，受力明确。

相对于单侧受力工况，结构处于双侧受力情况下，设置环向预应力筋对于结构各部件的受力影响均较大，说明环向预应力筋比较适用于双侧受力相对均匀的索塔结构。