斜塔斜拉橋塔索錨固區(qū)局部應(yīng)力分析

潘常建

（天津城建設(shè)計院有限公司，天津市300122）

斜塔斜拉橋塔索錨固區(qū)局部應(yīng)力分析

潘常建

（天津城建設(shè)計院有限公司，天津市300122）

某斜塔斜拉橋由于受景觀要求限制，在滿足整體受力的前提下需盡量減少主塔尺寸，同時要滿足拉索張拉所需的空間，因此塔索錨固形式需經(jīng)過精確計算分析后確定。以該橋為實例，建立塔索錨固區(qū)的三維有限元模型，進行局部應(yīng)力分析，分析結(jié)果對同類橋梁的設(shè)計具有一定的參考價值。

斜塔斜拉橋；索塔；錨固區(qū)；局部應(yīng)力分析

1　工程背景

該斜拉橋為獨塔斜塔斜拉橋［1，2］，主橋主跨120 m，邊跨60 m，塔高60 m，采用鋼結(jié)構(gòu)主塔，傾角16.5。［3］，主梁為單箱多室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，橋型布置見圖1～圖2。兩側(cè)引橋采用30 m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)。

塔柱采用單箱雙室矩形截面，為減小塔壁變形，在橋塔橫向設(shè)置主塔橫隔板［4］。主跨與邊跨側(cè)均有14對拉索，主跨拉索平行錨固在主梁中央分隔帶，梁上錨點間距10 m，邊跨拉索錨固于主梁風(fēng)嘴，梁上錨點間距4 m。主塔錨點豎向高差均為3.5 m。由于邊跨跨徑較小，近塔處邊跨拉索由主塔側(cè)壁穿出。拉索采用低松弛預(yù)應(yīng)力鍍鋅鋼絲，抗拉標準強度1 670 MPa。圖1、圖2分別為主橋立面圖和平面圖。

圖1　主橋立面圖（單位：m）

圖2　主橋平面圖（單位：m）

為了保證塔內(nèi)施工空間，通過多種方案進行對比，最終確定將主索、邊索共同錨固于同一個錨梁的相鄰兩邊，兩側(cè)拉索形成自平衡體系［5］。錨梁與主塔塔壁、中腹板焊接，每個錨箱均由承壓板、錨板和加勁豎板組成主受力系統(tǒng)，將受力傳遞至錨梁，進而傳遞至主塔。錨固具體形式見圖3。

圖3　索塔錨固區(qū)局部構(gòu)造三維示意

2　計算模型

采用大型通用有限元程序Ansys［6］，選取主塔最下端錨箱進行分析，計算模型主要包括主塔塔壁、錨梁、承壓板與主塔橫隔板。采用shell63單元進行網(wǎng)格劃分，模型共55 486個shell單元［7］，模型底部采用固結(jié)約束。有限元模型見圖4、圖5。

圖4　主塔有限元模型

圖5　錨箱有限元模型

根據(jù)整體模型最終調(diào)整的拉索索力，邊跨索力367 t，中跨索力192 t，結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表1。

表1　材料參數(shù)表

3　結(jié)果分析

主塔錨固區(qū)構(gòu)件應(yīng)力結(jié)果見圖6～圖9。

圖6　塔壁應(yīng)力

圖7　錨箱應(yīng)力

圖8　承壓板應(yīng)力

圖9　錨梁應(yīng)力

由圖6～圖9可以看出，塔壁、橫隔板、錨箱與承壓板的應(yīng)力均小于140 MPa，滿足規(guī)范要求，但錨梁與塔壁接觸下角點處出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中。為消除或減小應(yīng)力集中，分別采取以下3種措施，進行計算對比。

措施一：在錨梁下角點切一直角，避免3個面交于一點，如圖10所示。

圖10　切角示意

主塔塔壁及錨梁應(yīng)力見圖11～圖12。

主塔塔壁應(yīng)力由126 MPa降至98.4 MPa，錨梁應(yīng)力由242.8 MPa降至159 MPa。

圖11　塔壁應(yīng)力

圖12　錨梁應(yīng)力

措施二：在錨梁下角處倒一圓角，避免3個面交于一點，如圖13所示。

圖13　倒角示意

主塔塔壁及錨梁應(yīng)力見圖14、圖15。

圖14　塔壁應(yīng)力

圖15　錨梁應(yīng)力

主塔塔壁應(yīng)力由126 MPa降至107.2 MPa，錨梁應(yīng)力由242.8 MPa降至178 MPa。

措施三：延長錨梁下角處兩底板，避免3個面僅交于一點，如圖16所示。

圖16　延長錨梁底板示意

主塔塔壁及錨梁應(yīng)力見圖17、圖18。

圖17　塔壁應(yīng)力

圖18　錨梁應(yīng)力

主塔塔壁應(yīng)力由126 MPa降至99.9 MPa，錨梁應(yīng)力由242.8 MPa降至143.3 MPa。

4　結(jié)語

通過對斜塔斜拉橋主塔錨固區(qū)進行有限元局部分析，得到如下結(jié)論：

（1）主塔錨固區(qū)受力較為復(fù)雜的區(qū)域位于錨梁與塔壁的連接處，并可能產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)盡可能避免錨梁兩底板與塔壁僅斜交于一點；

（2）對比優(yōu)化措施，延長錨梁底板的改善效果最為明顯，在實際操作中可通過在延長板上適當布置加勁肋進行實現(xiàn)。

［1］ 林元培.斜拉橋［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］ 項海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論［M］.上海：同濟大學(xué)出版社，2001.

［3］ 王伯惠.斜拉橋結(jié)構(gòu)發(fā)展和中國經(jīng)驗（上冊）［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［4］ 李新平，梁敏.斜拉橋塔索錨固區(qū)局部應(yīng)力分析［J］.工程設(shè)計CAD與智能建筑，2001（10）：23-24.

［5］ 王峰軍，項貽強.斜拉橋索塔節(jié)段足尺模型試驗與分析研究［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，2001（2）：8-11.

［6］ Lundgren K，Mjignusson J.Three-dimensioml modeling of anchorage zones m reinforced concrete［J］.Journal of Engineering Mechanics，2001，127（7）：693-699.

［7］ 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析［M］.北京：人民交通出版社，2011.

U448.27

A

1009-7716（2015）05-0061-03

2015-01-07

潘常建（1987-），男，山東菏澤人，助理工程師，從事橋梁設(shè)計工作。