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      空間索面斜拉橋索塔錨固方案研究

      2014-11-27 12:14:04延力強(qiáng)
      關(guān)鍵詞:螺紋鋼筋索塔鋼束

      延力強(qiáng)

      (鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,天津 300142)

      1 概述

      本橋為某在建獨塔雙索面公鐵兩用斜拉橋,橋跨布置為(35+260+51.5+66.0+62.5)m,橋面寬46 m,公路鐵路同橋面布置。橋梁結(jié)構(gòu)采用鋼箱-混凝土混合梁,墩-塔-梁固結(jié)。主跨采用分離式流線形扁平鋼箱梁,分離鋼箱之間由密布工字形橫梁連接,橫梁上設(shè)置正交異性橋面板;邊跨采用分離式預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁,箱體之間由密布預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁連接。鋼箱梁和混凝土箱梁結(jié)合段設(shè)在主跨,距主塔中心15 m處。

      索塔橫橋向采用A字形混凝土塔,橋面以上塔高125 m,橋面以下塔高20.0 m。下塔柱采用實心矩形截面,橫向分成雙塔柱,單個塔柱寬由2.7 m漸變?yōu)?.6 m,縱橋向長度由12.0 m漸變?yōu)?3.0 m;中塔柱采用空心矩形截面,橫向雙塔柱,在約離橋面42.0 m高處交匯于一處,交匯處橫梁高3.0 m;上塔柱采用空心矩形截面。

      斜拉索采用高強(qiáng)低松弛鍍鋅鋼絲,PE擠壓護(hù)套平行鋼絲束,鋼絲強(qiáng)度1 670 MPa,斜拉索最大設(shè)計索力達(dá)到6 500 kN。主跨拉索錨固間距主跨為9.0 m,邊跨為6.0 m,主塔上錨固間距為2.0 m。全橋共50對拉索。

      2 結(jié)構(gòu)方案比選

      斜拉橋索塔的拉索錨固部位,是一個將拉索的局部集中力分散到全截面,并且安全、均勻地傳遞到錨固區(qū)以下塔柱的受力構(gòu)造,因此索塔錨固區(qū)是斜拉橋設(shè)計的重點。

      為了提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能,很多大跨徑斜拉橋采用空間索面的布置形式,針對這種形式常用的錨固方案有以下3種:(1)異型鋼錨梁,將錨固鋼錨梁置于混凝土塔壁的鋼牛腿上,拉索錨固于錨橫梁的兩端,如圖1~圖2所示;(2)鋼錨箱,鋼錨箱通過連接件與混凝土索塔連接,斜拉索錨固在鋼錨箱上,如圖3~圖4所示;(3)齒塊錨固,將斜拉索錨固于混凝土索塔內(nèi)側(cè)的齒塊上,在索塔錨固區(qū)的四壁布設(shè)環(huán)向預(yù)應(yīng)力。

      圖1 異型鋼錨梁立面

      鋼錨梁方案受力機(jī)理比較明確,斜拉索的水平分力由鋼錨梁承受,混凝土塔壁所受拉應(yīng)力較小,但是它對塔柱內(nèi)部空間有一定的要求,安裝和換索都不方便,需要配置少量環(huán)向預(yù)應(yīng)力作為安全儲備,在施工上要求有足夠的吊裝能力。

      圖2 異型鋼錨梁平面

      圖3 鋼錨箱立面

      圖4 鋼錨箱平面

      鋼錨箱方案,斜拉索順橋方向的水平分力可以被鋼錨箱兩側(cè)的聯(lián)系鋼板承擔(dān)相當(dāng)大的一部分,其余沒有承擔(dān)的水平分力由鋼錨箱傳到混凝土塔壁上;豎向分力則傳給混凝土索塔,由混凝土承擔(dān)。但由于塔壁分擔(dān)了不小的水平力,混凝土應(yīng)力較大,很容易開裂,會影響到結(jié)構(gòu)的耐久性,需要采取一定的措施進(jìn)行改善,另外用鋼量大,成本高,對吊裝能力和安裝精度要求較高。

      與鋼錨梁、鋼錨箱相比,齒塊錨固具有構(gòu)造簡單、造價低、后期維護(hù)工作量小等優(yōu)點。但也存在施工質(zhì)量和精度很難控制的缺點,主要是因為環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固方式的全部工序需要現(xiàn)場高空作業(yè),錨墊板的角度及預(yù)應(yīng)力管道定位控制較難。

      本文針對具體工程的特點,綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)、施工和后期養(yǎng)護(hù)等諸多因素,擬采用齒塊錨固方案。對于齒塊錨固方案,由于斜拉索索力直接作用在塔壁上,索塔前壁外緣形成了較大的拉應(yīng)力,因此索塔錨固區(qū)需要布設(shè)預(yù)應(yīng)力束抵抗這一拉應(yīng)力。塔壁預(yù)應(yīng)力錨固又分為3種形式:U形+短直預(yù)應(yīng)力鋼束錨固;精軋螺紋鋼筋錨固;短直預(yù)應(yīng)力鋼束錨固。主要針對這3種錨固形式進(jìn)行了分析、研究,以確定索塔錨固區(qū)最合理的預(yù)應(yīng)力布置形式。

      2.1 U形+短直預(yù)應(yīng)力鋼束錨固方案

      本方案如圖5~圖9所示,同一層環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束外側(cè)、內(nèi)側(cè)分別采用15-7φ5、12-7φ5預(yù)應(yīng)力鋼絞線,短直預(yù)應(yīng)力鋼束采用12-7φ5預(yù)應(yīng)力鋼絞線。相同方向環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束豎向間距為40 cm,短直預(yù)應(yīng)力鋼束豎向間距為63~202 cm。U形預(yù)應(yīng)力鋼束、短直預(yù)應(yīng)力鋼束采用塑料波紋管,鋼束與管道的摩擦系數(shù)分別采用0.2、0.17,預(yù)應(yīng)力鋼束管道每米局部偏差影響系數(shù)為0.001 5。

      圖5 立面布置

      圖6 側(cè)面布置

      圖7 疊加布置示意(一)(單位:cm)

      圖8 單層布置(單位:cm)

      圖9 非錨固壁短直束單層布置(單位:cm)

      圖10 立面布置(二)

      圖11 側(cè)面布置(二)

      圖12 鋼束疊加布置示意(二)(單位:cm)

      圖13 立面布置(三)(單位:cm)

      2.2 精軋螺紋鋼筋錨固方案

      本方案如圖10~圖12所示,本方案采用JL32 mm預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)精軋螺紋粗鋼筋,fpk=785 MPa,彈性模量Es=2.0×105MPa。索塔的兩側(cè)錨固壁各布置3列精軋螺紋鋼筋,兩側(cè)非錨固壁各布置2列精軋螺紋鋼筋,同方向精軋螺紋鋼筋間的間距為15 cm。

      圖14 側(cè)面布置(三)(單位:cm)

      圖15 鋼束疊加布置示意(三)(單位:cm)

      2.3 短直預(yù)應(yīng)力鋼束方案

      本方案如圖13~圖15所示,本方案預(yù)應(yīng)力鋼束均采用15-7φ5預(yù)應(yīng)力鋼絞線。索塔的兩側(cè)錨固壁各布置3列精軋螺紋鋼筋,兩側(cè)非錨固壁各布置2列精軋螺紋鋼筋,同方向精軋螺紋鋼筋間的間距為40 cm。短直預(yù)應(yīng)力鋼束采用金屬波紋管,鋼束與管道的摩擦系數(shù)為0.26,預(yù)應(yīng)力鋼束管道每米局部偏差影響系數(shù)為0.003。

      3 索塔空間有限元模型

      3.1 模型的建立

      本文選取最不利索力所對應(yīng)塔段的4個節(jié)段進(jìn)行計算分析,計算節(jié)段包含4對斜拉索,取頂部的2對索進(jìn)行分析研究。頂部截面非錨固壁長6.965 m,橫向長5.234 m,底部截面非錨固壁長7.527 m,橫向長6.308 m,高度13 m。塔的頂部為厚80 cm的實體段,內(nèi)設(shè)150 cm×150 cm的過人孔。塔的錨固壁厚度為150~158.7 cm,非錨固壁厚度為80 cm。

      采用Midas FEA軟件建立實體單元局部分析模型,斜拉索錨固位置等關(guān)心位置單元尺寸為10 cm,其余部位單元尺寸為30 cm,模型共劃分258 030個單元,71 011個節(jié)點。有限元計算模型如圖16所示。

      圖16 上塔段上部局部分析模型

      邊界條件:塔段底部固結(jié)。

      主要考慮荷載工況:工況1 預(yù)應(yīng)力+自重;工況2 預(yù)應(yīng)力+自重+索力。

      其中索力是由整體計算模型中主+附加力工況下提取而來。斜拉索編號由下至上主跨側(cè)分別為P23~P26,邊跨側(cè)C23~C26。斜拉索情況如表1所示。

      表1 斜拉索參數(shù)

      預(yù)應(yīng)力張拉情況:(1)U形、短直預(yù)應(yīng)力鋼束錨下張拉控制應(yīng)力為1 302 MPa,預(yù)應(yīng)力鋼束錨頭變形、鋼筋回縮、由于混凝土收縮徐變引起的應(yīng)力損失等均由FEA軟件自動計算;(2)考慮到精軋螺紋鋼筋應(yīng)力損失的各方面問題,錨下控制應(yīng)力采用785×0.5=392.5 MPa。

      3.2 U形+短直預(yù)應(yīng)力鋼束錨固方案計算結(jié)果分析

      3.2.1 自重+環(huán)向預(yù)應(yīng)力作用下

      X方向(非錨固壁)的應(yīng)力圖如圖17所示,從圖中可以看出,在索塔非錨固壁內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力為3~15.5 MPa;非錨固壁外側(cè)出現(xiàn)2~8.5 MPa壓應(yīng)力,塔頂實體段為0~4 MPa壓應(yīng)力,0~0.8 MPa拉應(yīng)力。

      圖17 非錨固壁混凝土應(yīng)力(一)(單位:MPa)

      Y(錨固壁)方向的應(yīng)力圖如圖18所示,從圖中可以看出在索塔錨固壁的外側(cè)產(chǎn)生了3~17 MPa的壓應(yīng)力,索孔附近產(chǎn)生17~20 MPa的局部壓應(yīng)力;在索塔錨固壁的內(nèi)側(cè)產(chǎn)生約1.5~10 MPa的壓應(yīng)力,索孔附近產(chǎn)生10~24 MPa的局部壓應(yīng)力,錨墊板下緣及四周產(chǎn)生0~11 MPa的拉應(yīng)力。

      圖18 錨固壁混凝土應(yīng)力(一)(單位:MPa)

      3.2.2 自重+環(huán)向預(yù)應(yīng)力+索力作用下

      X方向(非錨固壁)的應(yīng)力圖如圖19所示,從圖中可以看出,在索塔非錨固壁內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力為2~11 MPa;非錨固壁外側(cè)出現(xiàn)1.5~7 MPa壓應(yīng)力。

      圖19 非錨固壁混凝土應(yīng)力(二)(單位:MPa)

      Y(錨固壁)方向的應(yīng)力圖如圖20所示,從圖中可以看出在索塔錨固壁的外側(cè)產(chǎn)生了2~14 MPa的壓應(yīng)力;頂端實體段出現(xiàn)0~1 MPa的拉應(yīng)力;在索塔錨固壁的內(nèi)側(cè)產(chǎn)生約0~16 MPa的壓應(yīng)力,錨墊板四周壓應(yīng)力較大。

      圖20 錨固壁混凝土應(yīng)力(二)(單位:MPa)

      索塔上部主拉應(yīng)力大多在2 MPa以下,滿足規(guī)范中不得超過0.7×3.3=2.31 MPa的要求。超過2 MPa的部分如圖21所示,主要分布于預(yù)應(yīng)力鋼束錨固位置以及錨墊板四周;主壓應(yīng)力大多在0.7×37=25.9 MPa以下,超過10 MPa的部分如圖22所示,主要分布于錨墊板四周。

      圖21 主拉應(yīng)力(只顯示≥2 MPa應(yīng)力部分)

      圖22 主壓應(yīng)力(只顯示≤-10 MPa應(yīng)力部分)

      由于篇幅所限,本文僅列出U形+短直預(yù)應(yīng)力鋼束錨固方案的詳細(xì)計算結(jié)果。3種錨固方案在自重、預(yù)應(yīng)力及索力共同作用下的結(jié)果對比如表2所示。

      表2 三種錨固方案應(yīng)力對比

      經(jīng)過分析研究,推薦采用U形+短直預(yù)應(yīng)力鋼束錨固方案,主要原因如下。

      (1)精軋螺紋鋼筋與短直預(yù)應(yīng)力鋼束方案,預(yù)應(yīng)力束長度較短,由回縮及錨具變形引起的應(yīng)力損失很大,因此預(yù)應(yīng)力筋用量較多。

      (2)U形+短直預(yù)應(yīng)力鋼束錨固方案,大大減少了預(yù)應(yīng)力筋用量,大幅度減少張拉和灌漿等高空危險作業(yè)的工作量。

      (3)精軋螺紋鋼筋方案計算時,應(yīng)力損失情況不容易估算準(zhǔn)確。

      4 結(jié)論

      (1)針對索塔錨固區(qū)3種預(yù)應(yīng)力布置形式,對塔壁應(yīng)力的影響進(jìn)行了分析研究,論證了U形預(yù)應(yīng)力鋼束+短直預(yù)應(yīng)力鋼束錨固方案在本項目中的合理性,環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束與短直鋼束的布置滿足規(guī)范要求,使結(jié)構(gòu)處于一定的合理受理狀態(tài)。

      (2)對索塔各部位分別進(jìn)行了計算,確定U形+短直預(yù)應(yīng)力鋼束方案為索塔各段的最佳布置方案。

      (3)在斜拉索作用力下,斜拉索錨頭周圍的局部主拉和主壓應(yīng)力較大。雖然應(yīng)力較大區(qū)域很小,但在索力長期的高應(yīng)力狀態(tài)下,錨固區(qū)混凝土?xí)霈F(xiàn)裂縫,所以應(yīng)該采取必要的措施。

      (4)錨固塊、錨固塊與箱室交接處會出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中區(qū)域,需要注意配置構(gòu)造鋼筋或設(shè)置包裹鋼板預(yù)防裂縫的開展。

      (5)在索塔局部分析計算中,未考慮寒潮作用。在寒潮作用下索塔塔壁外側(cè)將產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,這時索塔須配足夠的鋼筋,以避免混凝土開裂。

      [1]TB10002.5—2005 鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

      [2]TB10621—2009,J971—2009 高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)[S].

      [3]鐵建設(shè)函[2005]285號 新建時速200 km客貨共線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定[S].

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