矮塔斜拉桥索梁锚固区受力性能研究

黄 斌，杨 睿，张振华，张亚飞

(1.浙江数智交院科技股份有限公司，杭州 310030；2.中北工程设计咨询有限公司杭州分公司，杭州 311199)

0 引 言：

矮塔斜拉桥是在100m～300m跨径中具有竞争力的桥型，矮塔斜拉桥结构中的索梁锚固区则是受力复杂且关键区域，该区域的受力直接影响结构施工和运营安全性。有鉴于此，有必要对矮塔斜拉桥的索梁锚固区的受力性能进行分析研究。

为了探究清楚斜拉桥索梁锚固区域的复杂受力行为，许多学者做了相关研究。毛晓东[1]以一座铁路矮塔斜拉桥实例为背景，采用梁单元与实体单元组合方式模拟了局部分析模型的边界，探究了在不利荷载组合工况下索梁锚固区域的受力特性。吕文舒[2]等基于大型通用有限元软件ANSYS，分析了在最大索力工况下双索面矮塔斜拉桥索梁锚固区受力特性，对于主拉应力较大的锚固块与边腹板结合处、锚固处腹板与横梁结合处等位置进行了配筋加强设计。张臖瞡[3]以一座铁路矮塔斜拉桥为工程实例，采用ANSYS建立了索梁锚固局部分析模型，分析结果表明在斜拉索和预应力的共同作用下，锚块绝大部位处于受压状态，拉应力主要分布在构造突变的局部位置且分布范围很小不足以构成破坏，实测数据与计算数据相一致。

本文以某特大桥为工程背景，采用ABAQUS建立了空间有限元模型，分析了索梁锚固位置在不利荷载工况下的复杂受力情况，通过计算结果校核了配筋设计的合理性。

1 工程概况

某预应力混凝土矮塔斜拉桥，跨径布置为108m+180m+108m，塔高60m，采用塔梁固结，墩梁分离的双塔单索面形结构式。每个索塔上布置两排斜拉索，每排16根，共32根。塔上拉索锚固点间距为1.5m。主梁采用预应力混凝土梁结构形式，截面形式为单箱三室截面，桥宽24.5混凝土等级采用C60，跨中标准段梁高为3.2m，梁高高跨比为1/56.25。支点处梁高为6m，高跨比为1/30，采用二次抛物线渐变过渡。

跨中断面箱梁底板厚度30cm，中腹板厚度50cm，边腹板厚度55cm，边箱顶板厚度28cm，中箱考虑拉索布置及受力需要设置为48cm。桥梁总体布置图与主梁构造图如图1～图3所示。

图1 桥型立面布置图(单位：cm)

图2 跨中标准截面构造图(单位：cm)

图3 索梁锚固区构造图(单位：cm)

本桥索塔总高度为60m，其中塔冠高度11m，主要为装饰作用，除塔冠外塔柱高49m，主跨180m，桥面以上索塔高跨比为1/3.67，高于常规的矮塔斜拉桥塔高，通常矮塔斜拉桥塔柱高跨比为1/8-1/12[4～5]。本桥属于高塔型矮塔斜拉桥，拉索最小倾角为24°，拉索承担竖向力比重较常规矮塔斜拉桥高[4]，索梁锚固区因承担更大的拉索力受力显得尤为复杂和重要。

2 索梁锚固区有限元建模

2.1 索梁锚固区有限元建模

整体计算结果表明16#斜拉索(B16)成桥索力最大，为3200KN。拉索连接的主梁为标准断面，梁高为3.2m，对应的斜拉索为边跨第16#斜拉索。按照圣维南原理，取局部模型的箱梁总长为12m，横隔板置于节段中间位置，拉索的锚垫板为480mm×480mm× 60mm，垫板孔开孔直径为255mm，横梁内设置两束预应力钢束，规格型号为19-φs15.2，由此采用大型有限元软件ABAQUS建立的箱梁节段有限元模型如图4所示，单元采用四面体C3D10单元与T3D4桁架单元，全节段一共约53万个节点，19万个单元，材料参数如表1所示。

图4 索梁局部锚固区有限元建模

表1 材料参数表

2.2 荷载与边界条件的设定

箱梁节段的断面处施加固结约束，约束断面上节点的三个平动自由度与三个转动自由度。同时，锚垫板与混凝土之间的约束设定为ABAQUS中的面-面接触，法向设置为硬接触，切向考虑0.3的摩擦系数。

对于B16长索截面，该处位置在最不利荷载组合下的索力值为3200kN，将该索力以均布力的形式施加在锚垫板上，同时施加横梁内部横向预应力钢束的预应力，张拉应力取1395Mpa。

3 索梁锚固区应力分析

3.1 横隔板与顶板交界处应力分析

基于《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG 3362-2018对混凝土主拉应力的控制标准，在模型中设置输出的主拉应力(第一主应力)云图的上限值为1.96Mpa(C60的混凝土轴心抗拉强度设计值)，有限元模型的主拉应力超标范围如图5所示，其中浅色区域代表应力超标区域，有限元模型中所有的单位制均为国际标准单位制，长度为米、力为牛，应力为帕。

图5 锚垫板下区域主拉应力云图

从上图中可以看出，锚垫板附近位置的主拉应力较为复杂，横隔板与顶板交界位置，与中腹板交界位置均有较大的主拉应力区域，沿着顶板厚度方向上有较大的主拉应力区域且一直连通到顶板的上表面，孔道内部亦有主拉应力超标区域。

顶板下缘与横隔板交界位置处有较大的主拉应力，主拉应力超限区域在纵桥向上约有58cm，在顶板厚度方向上约有10cm深的超限区域，倒角处有约8.5cm深的主拉应力超标区。

对于主拉应力超标区域的实际应力大小分布情况及主拉应力方向情况如图6所示：

图6 交界处主拉应力超限区域应力大小

由上图可知，大部分应力上限小于1.96Mpa的区域，局部小范围超过为3.0Mpa，横隔板与顶板交界的边界处存在应力集中的情况，但是随后会快速衰减。

为了探究主拉应力的变化规律，设置了横向的路径1和沿着顶板厚度方向的路径2，提取两个路径上的应力值绘制沿程应力图如图7～图8所示，可以明显看到，在路径1上靠近两个洞口位置的主拉应力较大，可达到7Mpa以上；在路径2上，主拉应力衰减较快，在15cm左右的范围内衰减至1.96Mpa以内。

图7 路径1沿程应力大小变化图

图8 路径2沿程应力大小变化图

横隔板与顶板交界处的混凝土的主拉应力方向为纵桥向，因此在进行配筋设计时，应加强纵向受力钢筋的配置。

设计采取局部简化积分的思路对最不利的剖面进行配筋验算。本桥箱梁顶板处纵向钢筋配置28mm直径的钢筋，按照间距150cm布置，经验算满足局部受力要求。

3.2 锚垫板下混凝土应力分析

锚垫板下混凝土面应力分布情况如图9所示：

图9 锚垫板下主拉应力超标区域分布

上图中浅色区域为即为主拉应力超标区域，主要分布在锚垫板附近一直延伸至倒角处，这是由于正方形区域内混凝土单元在锚垫板压力的作用下会被压缩而带动周围的表层混凝土受拉，导致附近区域主拉应力超标但深度并不深，主拉应力的方向主要垂直于各个边界。

在锚垫板直接作用的区域受到巨大的索压力，锚垫板下混凝土主压应力基本均在C60的混凝土轴心抗压强度设计值26.5Mpa以内，锚垫板矩形区域内应力分布合理。主压应力的方向基本垂直于混凝土平面，由外向内有一定的扩散。

3.3 拉索背面横隔板混凝土分析结果

在拉索强大的索力作用下，横隔板背侧的混凝土的应力场同样会受到影响，该处区域应力结果分布情况如图10所示：

图10 横隔板背侧主拉应力大小

由上图可知，上方混凝土受拉变形后带动门洞上方混凝土受拉导致其余主拉应力超标。在竖向上，越靠近上边线，主拉应力越大，局部应力最大处可以达到3.53Mpa左右，主拉应力方向竖直向上。

在受到斜拉索强大的索力作用下，横隔板背侧同样存在主拉应力超标区域，主要分布在上方结构转角处，纵桥向上的深度为6cm左右。

3.4 拉索孔道内部混凝土分析结果

在拉索孔道内部同样存在混凝土主拉应力超标区域。在强大的锚垫板压力作用下，洞口有扩大的趋势因此导致在孔道内存在主拉应力方向为环向的超标区域，主拉应力超标区域长度约为53cm，最大应力可以达到3.6Mpa，主拉应力方向沿着圆弧的切向。

4 结 语

本文通过建立索梁锚固区实体模型，分析了该桥在最不利荷载工况下成桥状态时索梁锚固区受力性能，结论如下：

(1)横隔板与顶板交界处的混凝土的超标区域主拉应力均值最大，分布范围最广，拉索孔道直上方的交界处主拉应力远超混凝土轴心受拉强度设计值，方向为纵桥向，在顶板厚度方向上超标区域最深处可以达到1/3顶板厚度，纵桥向自交界处向背离横隔板方向延伸约一倍顶板厚度。

横隔板与顶板交界处是索梁锚固区应力集中效应最为明显的地方，设计时应予以重视。可通过设置合适的倒角尺寸及加强局部配筋，将抗裂验算控制在规范容许范围内，避免该处应力集中导致裂缝的发生和发展。

(2)锚垫板下混凝土平面内存在较大面积的主拉应力超标区域，主要分布在正方形区域四周延伸至倒角处，但主要存在于表层混凝土，深度并不深。主要原因是正方形区域内混凝土受压往下变形，带动周围混凝土受拉。锚垫板区域内混凝土主压应力小于混凝土轴心抗压强度设计值。

(3)横隔板背面门洞上方存在较大区域的主拉应力超标区域，主拉应力最大约一至两倍轴心抗拉强度设计值，方向为竖向，在板厚方向上的深度有限。

(4)孔道内部由于孔道被压缩，有扩张撕裂的趋势，导致存在主拉应力超标区域，主拉应力的方向为环向，设计需注意加强相应螺旋箍筋的配置。