斜拉桥索塔锚固区在温度效应作用下的受力特性分析

钟力全

广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东 广州 510507

由于斜拉桥索塔内通风不良，且混凝土本身导热性能低，当塔周气温发生骤变时，塔壁内外产生较大温差，温差沿塔壁厚度分布是非线性的，而截面变形服从平截面假定，于是截面变形受到约束而产生内约束温度应力。

对于钢筋混凝土结构温度应力的理论及计算现均处于试验研究阶段，各种计算方法都还不够完善，根据既有的设计和实践经验可知，桥塔在施工和运营过程中产生温度应力，其主要原因如下：混凝土在浇筑过程中所散发的水化热使其温度升高、外界气温呈周期性变化引起塔中内外温差、太阳辐射的影响。由于上述原因，混凝土体内部各点之间以及混凝土和周围介质间会产生温差，体积随之伸缩，当构件不能自由伸缩而受到约束或限制时，就产生温度应力。

目前对于斜拉桥索塔锚固区温度应力的分析研究相对较少，故文章主要针对斜拉桥索塔锚固区在不同工况作用下产生的温度应力进行分析，并针对薄弱部位提出设计建议。其中除了温度应力，混凝土在浇筑过程中的水化热产生的应力发生在施工过程中，属于施工荷载，只要采取有效的控制温度应力的措施就可以使这种应力显著降低，故不再进行检算。

1 索塔锚固区受力特性的计算原则

1.1 温度效应取值

为简化计算，可将竖向应力和水平方向应力用同一瞬时温度梯度分别按单向应力状态求解。温度应力应分别按气温温差、太阳辐射温差和寒潮温差进行计算。

日照温度主要受到太阳直接辐射、天空辐射、地面反射、气温变化、风速及地理纬度、桥梁的方位和塔壁朝向、附近地形地貌影响，是一个随机变化的复杂函数。从工程应用的角度来看，根据既有结构的实测资料分析可知在地理纬度、方位角、时间及地形确定的情况下，日照温度主要受太阳辐射强度、温度变化及风速的影响，故温度参数的取值只与太阳辐射和温度变化有关。根据已有的半经验公式，求得温度分布曲线，代入计算模型中求解。

在日照情况下，干燥状态下混凝土的温差比潮湿状态下要大一些。骨料对比热的影响也较大，最大可差至1.6倍左右。混凝土的热膨胀系数相对来说较为稳定，可采用1E-5取值。一般来说，结构最高温度出现在下午2：00左右，而朝东结构表面在上午10：00左右出现当天最高温度，产生最大温差分布；朝西向则在下午5：00左右产生当天最高温度，发现最大温差；不受日照的结构面其温度几乎保持不变。

就我国而言，地理纬度对最大温差影响较小，这是因为我国各地辐射强度相差不大，但对桥梁宽度方向的最大温差分布有较大的影响。同时，海洋环境比大陆环境温差要小，城市由于环境污染比山区温差要小，山区桥梁受到山体遮挡温差也会较小。

从工程分析角度来讲，只需从复杂的分布中结合既有的工程经验，选取适用于桥梁的最不利温度分布即可。

1.2 计算原则

在对温度荷载的研究中，笔者分别查阅了BS5400英国桥梁规范、澳大利亚国家道路管理局全国协会桥梁规范、新西兰桥梁规范、日本桥梁道路设计规范、美国桥梁规范、瑞士桥梁规范，其中温差最大的为新西兰推荐值32℃。

桥塔温度应力特点主要为温度应力一般是日照正温差时，外壁受压，内壁受拉，当寒潮降温为负温差时，外壁受拉，内壁受压，根据计算经验，温度应力一般是按照日照工况下内壁、寒潮工况下外壁拉应力控制设计。

2 索塔锚固区受力特性的计算分析

2.1 工程概况

文章所依据的工程是某地区工程中某双塔钢箱桁梁斜拉桥，全桥长为(60+120+324+120+60)m。索塔采用H型索塔，塔底以上索塔全高为123m，桥面以上塔高105.8m，桥面以下塔高17.2m，桥面以上塔的高跨比为1/3.06。索塔顺桥向尺寸为6～10m，即由塔顶6m线型加宽至下横梁8m，再加宽至塔底10m。上塔柱为斜拉索锚固区，两分离式竖直塔柱，塔柱中心距为16.4m。单箱单室截面，每柱横桥向宽度为4m，顺桥向宽度由6m线型增加到6.971m，横桥向壁厚为0.8m，顺桥向壁厚为1.5m。上塔柱上部设置顶帽，上顶帽主要起减少箱形桥塔截面畸变的作用，其本身受力较小，但需要满足一定的刚度要求，并无特殊的要求。顶帽厚0.5m，塔壁靠近顶帽处设置尺寸为0.5m×0.5m的倒角，顶帽壁板处设置人孔，人孔尺寸为1m×1m。

2.2 桥梁实体模型建立

文章利用Midas FEA软件建立桥梁模型，如图1所示，然后对锚固区进行详细的应力分析。

图1 桥梁模型图

对于索塔，各模型采用的荷载组合如下。

工况（1）主力+附加力+寒潮：恒载+活载（竖向活载、摇摆力）+附加力（制动力、风力、整体温度、顶板温度）+寒潮温度应力。

工况（2）主力+附加力+日照：恒载+活载（竖向活载、摇摆力）+附加力（制动力、风力、整体温度、顶板温度）+日照温度应力。

工况（3）换索+寒潮：断换索产生应力+寒潮温度应力。

工况（4）换索+日照：断换索产生应力+日照温度应力。

2.3 计算结果

（1）纵向水平应力。激活上塔柱预应力后，计算了结构在4种工况下的应力状态，4种工况下上塔柱外壁纵向应力均为压应力，压应力储备比二维计算结果富余更大。因此，采用二维方法建立梁单元横框模型计算预应力是偏于安全的。

（2）横向水平应力。4种工况下，上塔柱外壁沿桥横向应力分布，如图2所示。

图2 4种工况下塔柱外壁横向水平应力云图（单位：MPa）

从图2中可以看出，上塔柱外壁横向应力绝大部分为压应力，压应力储备较小。同时，换索+寒潮为最不利工况，外壁产生了约0.6MPa的拉应力，与二维分析结果一致。

3 结论

文章通过三维模型对上塔柱竖向及水平向应力进行计算，考虑主+附和换索分别与寒潮和日照组合的4种工况，其计算指标满足要求。根据计算结果以及与二维方法进行的对比，得到以下结论：

（1）寒潮对截面拉应力贡献明显，大多数情况下换索+寒潮为最不利工况，应尽量避免在寒潮状态下换索。此外，截面预应力配置可依据主+附+寒潮工况下结构的应力状态。

（2）当斜拉索竖直角较大，斜拉索较密集时，可以采用二维方法建立塔柱横框模型验算截面预应力，所得的结果与三维分析结果接近，且偏于安全；当斜拉索竖直角较小，斜拉索间距较大时，二维方法对截面的简化与截面的实际状态差异较大，宜采用三维方法验算截面预应力。

（3）上塔柱两个方向水平应力沿高度的整体变化趋势一致，即自上而下应力逐渐降低。同时也存在差异性，即斜拉索孔道附近的横向水平应力相对较大，远离孔道的区域应力相对较小。因此，预应力配置时应尽可能沿竖向满布，钢束密度可以自上而下逐渐减小；在斜拉索孔道附近适当增加预应力配置密度，并布置螺旋筋防止应力集中导致混凝土开裂。