斜拉桥索塔锚固区在两种预应力结构作用下的力学性能对比分析

孟远远

(新疆建筑设计研究院，新疆乌鲁木齐830006)

斜拉桥的索塔锚固区是将拉索的局部集中力安全、均匀地传递到塔柱全截面的关键构造。索塔锚固区主要受斜拉索巨大的空间斜向索力、预应力筋的锚固力、孔洞削弱、楔形尺块构造缺陷等因素的影响，使该区域处于复杂的空间三维应力状态，受力状态十分复杂，因此，斜拉桥索塔锚固区力学性能的探讨一直以来备受关注[1]。

本文以主桥为(81+162+432+162+81)m的特大钢桁梁斜拉桥为工程背景进行对比分析，该桥分上、下两层桥面布置，桥塔总高181.9m。该桥是目前世界上单点锚固索力最大的斜拉桥。

1 有限元模型

1.1 预应力钢束布置概况

为了使这两种方案具有可比性，“U”形预应力结构采用12-15.2的钢绞线、弯曲半径为1.6m；“井”形预应力结构采用7-15.2的钢绞线，弯曲半径为4m。预应力钢束均采用高强低松弛钢绞线，其抗拉强度标准值为1 860MPa，张拉控制应力为1 116MPa[4]。这样使两种模型中的预应力钢束数量基本相同，仅在预应力钢束的布置形式上有较大差别。

1.2 模型的选取

通过斜拉桥整体静力分析可知桥塔顶部斜拉索的索力最大且倾角最小，水平拉力最大，故取桥塔的最上端S14号塔段作为研究对象，分别建立该塔段在两种预应力结构作用下的有限元模型。两种预应力体系在S14塔段内的布置形式参见图1。

考虑到圣维南原理(边界效应对分析区域受力的影响)及楔形锚固齿块之间的相互影响，又考虑到计算机计算时间等因素，从塔顶往下截取3.4m长的节段(仅包含S14塔段)。

1.3 建模

建模时混凝土采用SOLID45单元模拟，预应力钢筋采用LINK8单元模拟，网格划分时定义单元最大边长不超过20cm。模型中两种预应力结构的空间有限元模型参见图2。

(a)“U”形预应力结构

(b)弯曲“井”形预应力结构

模型按实际情况考虑了孔洞削弱、楔形尺块构造缺陷等因素的影响，并对模型施加了斜向索力、预应力筋的锚固力，尽可能的模拟了桥塔的真实受力情况。

1.4 模型的边界条件

1.4.1 位移边界条件

模型上端面不约束；模型全部底面节点约束竖向变形，底面长边中线约束顺桥向变形，底面短边中线约束横桥向变形。

图2 有限元模型

1.4.2 力边界条件

重力的模拟：采用施加加速度的方式模拟结构重力。

预应力作用的模拟：预应力钢束采用Link8单元模拟，预应力采用单元降温的方式施加。

预应力钢束与混凝土相互作用的模拟：采用耦合法，将预应力钢束与其最近的节点耦合起来模拟混凝土与预应力钢束的共同作用。

斜拉索索力的模拟：斜拉索索力按最不利工况组合值取用(索力大小见表2)，将最不利工况下得到的索力以等效表面压力施加在锚垫板上，施加面积为模型中锚垫板的面积，作用方向垂直于锚垫板。

1.5 荷载工况及计算中用到的参数

计算了常遇工况一：重力+预应力+运营索力(表1、表2)。

表1 计算参数[4]

表2 塔段S14索力

2 计算结果

在设计预应力混凝土桥塔时水平方向的拉应力为设计时的主要控制因素，因此这里主要观察水平方向的应力情况。

通过截面应力云图对比分析两种结构作用下索塔锚固区的力学性能，截面应力云图的位置参见图3。

图3 截面位置示意

工况一作用下1、2截面应力分布云图见图4、图5。

3 结论

通过以上计算结果可知弯曲“井”形预应力结构与以往索塔锚固区中常用的“U”形预应力结构相比，弯曲“井”形预应力结构具有以下特点。 度削弱大小影响更大，圆形孔开孔面积比六边形开孔面积大，对蜂窝梁腹板刚度造成的削弱就更大，因此六边形孔蜂窝梁临界弯矩值大于圆形孔蜂窝梁临界弯矩值；当s/h>0.5时，蜂窝梁整体稳定性受腹板连续性影响更大，腹板开设六边形孔洞时的连续性要比开设圆形孔时的连续性要差，因此对蜂窝梁的整体稳定性影响更大；当s/h趋近于0.7时，腹板开设孔洞时对梁的刚度削弱并不明显，也就是开设孔洞对梁的整体稳定性影响不大，在一定程度上可以忽略不计。因此，在蜂窝梁开设洞口时，当s/h<0.5时，开设六边形孔更为有利，蜂窝梁整体稳定性主要受腹板刚度影响，当0.50.7，开设六边形孔和圆形孔基本相同，蜂窝梁整体稳定性受腹板开设洞口影响很小。

图4 1-1剖面顺桥向正应力

3 结论

综上所述，得到以下结论。

(1)蜂窝梁的弯扭屈曲失稳形态与实腹式梁弯扭屈曲失稳形态基本吻合，在蜂窝梁整体稳定性分析中可以借鉴实腹式梁整体稳定性分析方法进行分析，在实际蜂窝梁的设计工程中，可以在实腹式梁的基础上进行一定的修正来得到蜂窝梁的整体稳定性计算。

(2)六边形孔及圆形孔蜂窝梁临界弯矩值基本相近，开设孔洞形状并不明显改变蜂窝梁的整体稳定性，从某种意义上说蜂窝梁整体稳定性受腹板开孔形状的影响不大，蜂窝梁的开孔主要是受使用功能、美观等因素的影响；在蜂窝梁的整体稳定性分析可以借鉴任意一种形状孔洞的蜂窝梁进行分析，在实际设计工程中，对于蜂窝梁的整体稳定性设计时，都可以借鉴同一个稳定性设计方法进行设计，在设计时，开孔形状主要满足功能和美观的要求。

(3)当s/h<0.5时，蜂窝梁整体稳定性主要受腹板刚度影响，开设六边形孔更为有利，当0.50.7，蜂窝梁整体稳定性受腹板开设洞口影响很小，开设六边形孔和圆形孔基本相同。

[1] 杨坛.基于ANSYS圆孔蜂窝钢梁承载力研究[D].广西大学，2007

[2] 周绪红，郑宏.钢筋钩稳定[M].北京：中国建筑工业出版社，2004