斜拉桥索塔锚固区节段模型对比分析研究

四川省交通勘察设计研究院有限公司 / 孙松松

斜拉桥索塔锚固区具有荷载大、空间小、传力路径多、受力机理复杂等特点，是斜拉桥分析的重难点之一。目前工程上主要采用有限元法进行索塔锚固区计算分析，最精确的方法是建立足尺度实体有限元模型，但是当索塔较高时，足尺度实体模型需要花费非常高的计算费用，一般是很难实现的。实际中为了减少计算费用，提高工作效率，经常从索塔的顶部开始取n个节段进行分析，因为索力最大的拉索多数位于索塔的顶部，且该部位的拉索与索塔的夹角最大，该部位受到的水平拉力最大，如此能够得到索塔上最危险部位的应力分布。

近年来已有很多学者对索塔锚固区的模拟做了研究。赵志刚以一座单塔双索面花瓶型斜拉桥为例，取该桥塔上索力最大拉索锚固点上下各1.05m，总高度2.1m的节段模型进行了分析，同时建立了与节段模型大小相同的足尺度试验模型，将试验结果与理论计算进行对比；万利军以一座索塔采用单轴对称六边形箱型截面的特大桥为例，取其索塔锚固区节段模型进行分析，为简化分析，只考虑了拉索的水平分力作用，同时也建立了试验模型，将结果在同一条件下进行比较；余浪以一座单塔双索面H型斜拉桥为例，取塔上最上三个节段为研究对象进行了模拟分析。

以上学者对索塔锚固区的模拟研究均从单节段或者多节段的角度进行，未开展单节段和多节段的对比分析研究。本文就以某公铁两用大桥为工程背景，用ANSYS对该桥箱形主塔进行了索塔锚固区单节段和三节段模型应力分析，验证了计算结果存在一定差异这一现象，并对差异进行分析研究，从而得到产生差异的原因及规律，为同类桥梁进行索塔锚固区节段模型分析提供一些帮助和建议。

一、工程背景

跨径布置为(81+243+567+243+81)m的五跨连续钢桁梁双塔双索面公铁两用斜拉桥，上层为双向四车道高速公路，下层为双线铁路，其主塔为H型混凝土塔，塔高190.5米。全桥立面布置见图2.1，主塔结构示意见图2.2。

图2.2 主塔结构示意

图2.1 斜拉桥立面布置图（单位：m）

本文计算分析选取的节段属于上塔柱区段，其截面为单箱单室截面，横桥向壁厚1m，顺桥向基本壁厚1.5m。拉索锚固构造采用箱壁锚固形式，斜拉索直接锚固于索塔内壁的锚固齿块上，设有环向预应力束，用张拉预应力束而获得的塔壁内预压应力来抵消拉索产生的拉应力。

二、有限元模型及计算分析

本文采用局部模型节段分析法对索塔锚固区进行精细仿真分析，在该桥整体结构分析的基础上，选择最大索力值附近塔段结构进行局部分析，为比较计算分别建立一节段模型和三阶段模型。一节段模型高10.77m，三节段模型高15.87m。两种模型均用实体单元来模拟混凝土，采用初应变的方法模拟预应力的作用，其他边界条件、荷载以及网格划分时单元的大小都一致，以此来对比分析索塔锚固区在荷载作用下的力学行为。节段模型基本截面及预应力钢束布置见图3.1。

图3.1 模型截面及预应力筋布置图（单位：cm）

（一）有限元模型

按照索塔锚固区有限元分析的思路，分别建立了该桥索塔锚固区的一节段模型和三节段模型，如图 3.2 所示。

图3.2 一节段（左）与三节段（右）模型对比图

（二）计算分析

为确保计算模型及其分析结果的正确性，将索塔三节段（斜向加载）与索塔一节段（水平加载）有限元计算结果进行比较，其目的是验证索塔一节段模型代替整个索塔锚固区的合理性，同时对三节段模型的分析结果进行校核，通过对比分析，确保结构计算分析的正确可靠。

图3.3所示的6个应力路径是为比较两种方法的计算结果而假定的，其中路径3和路径6是沿塔柱高度方向向下，其他路径方向如图所示。路径1～3提取的是顺桥向的应力，路径4～6提取的是横桥向的应力。

图3.3 应力路径图

为直观地比较两种索塔节段的计算结果，采用图表方式进行比较，选取两种模型短边内侧、外侧腹板相应迹线，模型顶面长边腹板内侧、外侧相应迹线位置节点应力值绘制图表，具体迹线选取如下图几何模型中高亮迹线所示，图示中O点为计算起点，将计算结果进行比较。

图3.4 长边腹板内、外侧对比迹线选择图示

图3.5 短边内、外侧对比迹线选择图示

1.恒载最大索力法向正应力对比分析

两种节段模型结构在恒载最大索力作用下长边腹板顺桥向的应力对比状况如下图所示：

图3.6 长边腹板内侧顺桥向正应力对比曲线

图3.7 长边腹板外侧顺桥向正应力对比曲线

由图可知，在恒载最大索力、预应力、结构自重等共同作用下，两种节段模型长边腹板内外侧的法向正应力变化趋势一致，数值存在较小差异，长边腹板总体受压，压应力储备在1MPa～2MPa之间。长边腹板外侧的预压应力小于内侧的预压应力。

两种节段模型结构在恒载最大索力作用下短边横桥向的应力对比状况如下图所示：

图3.8 短边内侧横桥向正应力对比曲线

图3.9 短边外侧横桥向正应力对比曲线

由图可知，在恒载最大索力、预应力、结构自重等共同作用下，两种节段模型短边腹板内外侧的横桥向法向正应力变化趋势一致，数值存在差异但差异不大，内侧的压应力小于外侧，在角隅位置，应力出现不连续现象，短边腹板总体受压，压应力储备在0MPa～2.5MPa之间。

2.活载最大索力法向正应力对比分析

两种节段模型结构在活载最大索力作用下长边腹板顺桥向的应力对比状况如下图所示：

图3.10 长边腹板内侧顺桥向正应力对比曲线

图3.11 长边腹板外侧顺桥向正应力对比曲线

由图可知，在活载最大索力、预应力、结构自重等共同作用下，两种节段模型长边腹板内外侧的法向正应力变化趋势一致，数值存在差异，长边腹板总体受压，压应力储备在1MPa～2MPa之间。长边腹板外侧的预压应力小于内侧的预压应力。

两种节段模型结构在活载最大索力作用下短边顺桥向的应力对比状况如下图所示：

由图可知，在活载最大索力、预应力、结构自重等共同作用下，两种节段模型短边腹板内外侧的横桥向法向正应力变化趋势一致，数值存在差异但差异不大，内侧的压应力大于外侧，在角隅位置，正应力出现不连续现象，短边腹板总体受压，压应力储备在0MPa～2.2MPa之间。

通过对比分析两种节段模型的计算结果，再结合建模、网格划分的难易程度以及计算效率的高低，可以得出以下结论：

(1)两种索塔模型在荷载作用下基本上均为全截面偏心受压，但是偏心程度不大，这说明预应力效应占主导地位，预应力储备足够，且各节点应力变化趋势基本一致，数值差距不大，验证了简化模型的合理性，但一节段模型和三节段模型各有优缺点；

(2)一节段模型的优点是建模简单方便，受力特征明确，能够很好的模拟水平力对桥塔混凝土产生的影响，在足尺试验中能和实际结果较好的吻合。缺点一方面是锚固块模型过于简化，与实际有误差；另一方面是由于节段施加的是水平力，只单纯的模拟了索力的水平分量，没有考虑竖向分力，这对计算结果也会产生一定的误差；

(3)三节段模型的优点是桥塔的模拟与实际更加接近，计算索力也采用斜向加载，能较好模拟桥塔真实的受力。其缺点是建模复杂，网格化过程中不可避免的出现畸形单元，对于计算结果也会产生一定影响；

(4)总的来说，采用三节段的计算结果更加符合真实状况，但一节段模型可以和三节段模型相互校核，通过比较数据变化的趋势，可以明确结构的受力状况，为更加准确地分析结构的性能提供了保证。

图3.12 短边腹板内侧横桥向正应力对比曲线

图3.13 短边腹板外侧横桥向正应力对比曲线