大跨度斜拉桥索梁锚固区空间受力分析及配筋设计

吕文舒, 王祺顺, 李 谦

(1.中交水运规划设计院有限公司， 北京 100010； 2.湖南省交通科学研究院有限公司， 湖南 长沙 410015；3.中交第二公路勘察设计研究院有限公司, 湖北 武汉 430058)

斜拉桥索梁锚固处结构受力集中、构造较为复杂，是斜拉索重要的传力构件，其受力状态是评价桥梁结构工作性能的重要内容。华波等[1]运用MIDAS FEA软件分析了组合式锚拉板索梁锚固构造在斜拉桥中的应用，研究了局部构件受力及抗疲劳性能；陈彦江等[2]建立ABAQUS有限元模型，结合足尺模型试验数据，研究了设计荷载下锚拉板式索梁锚固结构受力情况以及传力机理；梅应华等[3]采用ANSYS建立索梁锚固区的非线性有限元模型，分析了锚拉板与混凝土主梁摩擦作用和不考虑摩擦作用下，摩擦效应对锚拉板的受力影响；石雪飞等[4]以五河淮河大桥为工程背景进行实桥试验和有限元分析，研究了索力作用下锚拉板式混凝土索梁锚固体系的受力性能；葛昆鹏[5]采用精细化混合单元模型法，对于钢锚箱式和混凝土锚块式分别进行了计算分析，提出合理的设计方法，指导结构设计。

本文基于某钢混斜拉桥工程，运用ANSYS建立三维空间模型，分析索梁锚固位置处受力状态，并通过计算结果对锚块部位合理位置进行配筋。

1 工程概况

本文基于某单索面三塔低塔混凝土斜拉桥，桥梁全长360 m，中间桥塔为梁塔墩固结体系，两侧桥塔为梁塔固结，主梁采用单箱双室箱形结构，中心处梁高2.4 m，横坡1%，梁顶板厚25 cm，底板厚24 cm，中腹板厚度2.5 m，边腹板厚度1 m。主梁每隔6 m设置一道横隔梁，横隔梁厚度为70 cm，两端设有端横隔梁。主塔桥面以上高20 m，上塔柱采用工字型截面，断面尺寸为5.0 m×3.8 m；中塔柱采用实体截面，截面尺寸为5.0 m×2 m。墩身采用箱形薄壁结构，墩中设置横隔板，基础采用扩大基础。其桥型布置如图1。

图1 桥型纵向布置图(单位： m)

2 模型建立

以索力最大位置中塔9#索索梁锚固区为研究对象，截取17 m梁体节段，运用ANSYS有限元分析软件建立模型。梁体混凝土结构采用Solid92实体元模拟，不考虑普通钢筋作用，按实际结构尺寸建模划分网格。其中锚固块单元控制边长0.1 m，锚固块间梁体单元控制边长0.3 m，其余部位单元控制边长0.5 m，有限元模型如图2所示。

图2 索梁锚固处有限元模型

预应力采用Link8单元模拟，考虑节段内锚固块横梁横向预应力作用，单元控制长度0.2 m，钢束与预应力的关系采用节点耦合方式实现(见图3)。模型中总体直角坐标系以横桥向为X轴，纵桥向为Y轴，竖向为Z轴，满足右手螺旋法则。

图3 预应力单元图(深色区域)

3 锚固横梁处受力分析

根据研究目标对最大索力下桥梁索梁锚固区局部空间受力情况分析，梁体节段两端为固结约束，斜拉索索力通过全桥模型算出，考虑直接通过面荷载作用于锚块锚面处，最大索力8 781 kN，锚垫板面积0.226 m2，施加面荷载为38 820.5 kN/m2。锚固横梁处计算结果见图4。

由三向正应力云图可以看出(见图4)：

1) 在图4a中，横向预应力的作用下，除横梁与腹板相交位置出现拉应力，锚固横梁其余位置均受压，最大横向压应力4.99 MPa，最大拉应力1.82 MPa。

a) 锚固横梁横桥向(X向)正应力云图

b) 锚固横梁顺桥向(Y向)正应力云图

c) 锚固横梁竖向(Z向)正应力云图

2) 在图4b中，锚固块和箱梁腹板相接位置处出现最大拉应力和最大压应力，最大拉应力5.0 MPa，最大压应力3.5 MPa。考虑到模型未考虑自重、纵向预应力等因素影响，现根据杆系模型锚固块位置梁体压应力为3 MPa，因此锚固块和箱梁腹板相接位置拉应力可考虑为2 MPa。

3) 根据竖向正应力云图可以看出，边腹板出现3.2 MPa拉应力，为防止混凝土材料出现破坏，需对其结构进行配筋。

依据规范[6]可知：

(1)

式中：As为钢筋面积；K为结构应力值；T为结构单位受力面积；fy为钢筋抗拉强度设计值。

现取腹板截面宽度0.5 m，横桥向取1 m，箍筋抗拉强度设计值为300 MPa。依据式(1)可计算出As= 0.005 3 m2确定箍筋直径20 mm、六肢、间距为12.5 cm。

4 锚块空间受力分析

4.1 锚块横桥向受力分析

拉索锚块作为索梁锚固处最重要的传力部件，其局部结构受力情况直接决定拉索力是否可以有效传递在主梁上。现提取锚块部分横桥向正应力云图结果，如图5a所示，由于模型中未模拟锚垫板，预应力束端点位置出现较大应力集中现象，剔除预应力位置应力集中点的横桥向正应力云图如图5b所示。

a) 锚固块横桥向(X向)正应力云图

b) 去除预应力位置应力集中点横桥向(X向)正应力云图

从图中可以发现锚固孔附近的受力较为良好；锚固块和梁体腹板相接位置出现拉应力，最大拉应力6.25 MPa，需要在此处进行配筋。

计算配筋时，拉应力纵桥向出现范围取0.15 m，最大拉应力6.25 MPa，沿锚固块锚固面与腹板交接线方向取单位长度1 m，钢筋抗拉强度设计值300 MPa。根据上述式(1)计算得As= 0.003 13 m2，拟定钢筋直径28 mm、间距为10.6 cm。

4.2 锚块纵桥向受力分析

锚固处拉索传递的索力分解为纵桥向及竖向分力，为确保锚块混凝土在纵桥向不会出现破坏性裂缝，需对纵桥向锚块的整体受力情况进行分析。

同样为避免预应力区域计算结果影响，在分析结果时，剔除此区域的混凝土材料单元。锚固块纵桥向正应力云图如图6所示，从图中可见，锚固块主要受力区域位于锚孔附近，且与主梁结合部位出现较大应力情况，在索力施加的局部位置，存在应力集中现象。依据规范[7]中计算规定，构件端部锚固区的局部承压强度应满足：

KcfNc≤βfcAc

式中:其中Nc为预压力数值；Kcf为局部承压抗裂安全系数，取值1.5；β为混凝土局部承压强度提

a) 锚固块纵桥向(Y向)正应力云图

b) 去除预应力位置应力集中点纵桥向(Y向)正应力云图

高系数；Ac为局部承压面积；fc为混凝土抗压极限强度。根据计算得出KcfNc=13.17 kN≤βfcAc=20.87 kN，局部承压强度达到预期要求。

4.3 锚块竖向受力分析

拉索竖向分力主要作用是平衡主梁本身一、二期荷载以及运营期间的活载，其竖向分力作用下受力情况决定了锚块结构是否安全合理(见图7)。根据图7所示，在剔除预应力位置处应力集中区域后，锚块整体受力情况较好，锚孔附近位置应力分布均匀，且为整体受压状态，最大为-11.5 MPa。

a) 锚固块竖向(Z向)正应力云图

b) 去除预应力位置应力集中点竖向(Z向)正应力云图

5 结论

针对混凝土斜拉桥索梁锚固区建立ANSYS空间有限元模型，分析锚固处横梁以及锚块的三向受力情况。其研究结果表明：

1) 在横桥向应力分析中，横梁与腹板相交位置出现拉应力，最大拉应力1.82 MPa，其余位置均为受压；在纵桥向应力分析中，锚固块和箱梁腹板相接位置出现最大拉应力和最大压应力；在竖向应力分析中，出现最大拉应力3.2 MPa，此处进行配筋处理，面积需大于0.005 3 m2。

2) 在锚块横向受力分析中，其与梁体腹板相接位置出现6.25 MPa拉应力，此处配筋面积需大于0.003 13 m2。

3) 锚块纵向正应力分析中，索力施加位置存在较大局部压应力，依据规范计算所得其安全系数为0.63<1，局部承压强度满足要求。