呂文舒, 王祺順, 李 謙

(1.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司， 北京 100010； 2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410015；3.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 湖北 武漢 430058)

斜拉橋索梁錨固處結(jié)構(gòu)受力集中、構(gòu)造較為復(fù)雜，是斜拉索重要的傳力構(gòu)件，其受力狀態(tài)是評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)工作性能的重要內(nèi)容。華波等[1]運(yùn)用MIDAS FEA軟件分析了組合式錨拉板索梁錨固構(gòu)造在斜拉橋中的應(yīng)用，研究了局部構(gòu)件受力及抗疲勞性能；陳彥江等[2]建立ABAQUS有限元模型，結(jié)合足尺模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究了設(shè)計(jì)荷載下錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)受力情況以及傳力機(jī)理；梅應(yīng)華等[3]采用ANSYS建立索梁錨固區(qū)的非線性有限元模型，分析了錨拉板與混凝土主梁摩擦作用和不考慮摩擦作用下，摩擦效應(yīng)對(duì)錨拉板的受力影響；石雪飛等[4]以五河淮河大橋?yàn)楣こ瘫尘斑M(jìn)行實(shí)橋試驗(yàn)和有限元分析，研究了索力作用下錨拉板式混凝土索梁錨固體系的受力性能；葛昆鵬[5]采用精細(xì)化混合單元模型法，對(duì)于鋼錨箱式和混凝土錨塊式分別進(jìn)行了計(jì)算分析，提出合理的設(shè)計(jì)方法，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本文基于某鋼混斜拉橋工程，運(yùn)用ANSYS建立三維空間模型，分析索梁錨固位置處受力狀態(tài)，并通過計(jì)算結(jié)果對(duì)錨塊部位合理位置進(jìn)行配筋。

1 工程概況

本文基于某單索面三塔低塔混凝土斜拉橋，橋梁全長(zhǎng)360 m，中間橋塔為梁塔墩固結(jié)體系，兩側(cè)橋塔為梁塔固結(jié)，主梁采用單箱雙室箱形結(jié)構(gòu)，中心處梁高2.4 m，橫坡1%，梁頂板厚25 cm，底板厚24 cm，中腹板厚度2.5 m，邊腹板厚度1 m。主梁每隔6 m設(shè)置一道橫隔梁，橫隔梁厚度為70 cm，兩端設(shè)有端橫隔梁。主塔橋面以上高20 m，上塔柱采用工字型截面，斷面尺寸為5.0 m×3.8 m；中塔柱采用實(shí)體截面，截面尺寸為5.0 m×2 m。墩身采用箱形薄壁結(jié)構(gòu)，墩中設(shè)置橫隔板，基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。其橋型布置如圖1。

圖1 橋型縱向布置圖(單位： m)

2 模型建立

以索力最大位置中塔9#索索梁錨固區(qū)為研究對(duì)象，截取17 m梁體節(jié)段，運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件建立模型。梁體混凝土結(jié)構(gòu)采用Solid92實(shí)體元模擬，不考慮普通鋼筋作用，按實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸建模劃分網(wǎng)格。其中錨固塊單元控制邊長(zhǎng)0.1 m，錨固塊間梁體單元控制邊長(zhǎng)0.3 m，其余部位單元控制邊長(zhǎng)0.5 m，有限元模型如圖2所示。

圖2 索梁錨固處有限元模型

預(yù)應(yīng)力采用Link8單元模擬，考慮節(jié)段內(nèi)錨固塊橫梁橫向預(yù)應(yīng)力作用，單元控制長(zhǎng)度0.2 m，鋼束與預(yù)應(yīng)力的關(guān)系采用節(jié)點(diǎn)耦合方式實(shí)現(xiàn)(見圖3)。模型中總體直角坐標(biāo)系以橫橋向?yàn)閄軸，縱橋向?yàn)閅軸，豎向?yàn)閆軸，滿足右手螺旋法則。

圖3 預(yù)應(yīng)力單元圖(深色區(qū)域)

3 錨固橫梁處受力分析

根據(jù)研究目標(biāo)對(duì)最大索力下橋梁索梁錨固區(qū)局部空間受力情況分析，梁體節(jié)段兩端為固結(jié)約束，斜拉索索力通過全橋模型算出，考慮直接通過面荷載作用于錨塊錨面處，最大索力8 781 kN，錨墊板面積0.226 m2，施加面荷載為38 820.5 kN/m2。錨固橫梁處計(jì)算結(jié)果見圖4。

由三向正應(yīng)力云圖可以看出(見圖4)：

1) 在圖4a中，橫向預(yù)應(yīng)力的作用下，除橫梁與腹板相交位置出現(xiàn)拉應(yīng)力，錨固橫梁其余位置均受壓，最大橫向壓應(yīng)力4.99 MPa，最大拉應(yīng)力1.82 MPa。

a) 錨固橫梁橫橋向(X向)正應(yīng)力云圖

b) 錨固橫梁順橋向(Y向)正應(yīng)力云圖

c) 錨固橫梁豎向(Z向)正應(yīng)力云圖

2) 在圖4b中，錨固塊和箱梁腹板相接位置處出現(xiàn)最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力，最大拉應(yīng)力5.0 MPa，最大壓應(yīng)力3.5 MPa?？紤]到模型未考慮自重、縱向預(yù)應(yīng)力等因素影響，現(xiàn)根據(jù)桿系模型錨固塊位置梁體壓應(yīng)力為3 MPa，因此錨固塊和箱梁腹板相接位置拉應(yīng)力可考慮為2 MPa。

3) 根據(jù)豎向正應(yīng)力云圖可以看出，邊腹板出現(xiàn)3.2 MPa拉應(yīng)力，為防止混凝土材料出現(xiàn)破壞，需對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋。

依據(jù)規(guī)范[6]可知：

(1)

式中：As為鋼筋面積；K為結(jié)構(gòu)應(yīng)力值；T為結(jié)構(gòu)單位受力面積；fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

現(xiàn)取腹板截面寬度0.5 m，橫橋向取1 m，箍筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為300 MPa。依據(jù)式(1)可計(jì)算出As= 0.005 3 m2確定箍筋直徑20 mm、六肢、間距為12.5 cm。

4 錨塊空間受力分析

4.1 錨塊橫橋向受力分析

拉索錨塊作為索梁錨固處最重要的傳力部件，其局部結(jié)構(gòu)受力情況直接決定拉索力是否可以有效傳遞在主梁上。現(xiàn)提取錨塊部分橫橋向正應(yīng)力云圖結(jié)果，如圖5a所示，由于模型中未模擬錨墊板，預(yù)應(yīng)力束端點(diǎn)位置出現(xiàn)較大應(yīng)力集中現(xiàn)象，剔除預(yù)應(yīng)力位置應(yīng)力集中點(diǎn)的橫橋向正應(yīng)力云圖如圖5b所示。

a) 錨固塊橫橋向(X向)正應(yīng)力云圖

b) 去除預(yù)應(yīng)力位置應(yīng)力集中點(diǎn)橫橋向(X向)正應(yīng)力云圖

從圖中可以發(fā)現(xiàn)錨固孔附近的受力較為良好；錨固塊和梁體腹板相接位置出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力6.25 MPa，需要在此處進(jìn)行配筋。

計(jì)算配筋時(shí)，拉應(yīng)力縱橋向出現(xiàn)范圍取0.15 m，最大拉應(yīng)力6.25 MPa，沿錨固塊錨固面與腹板交接線方向取單位長(zhǎng)度1 m，鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值300 MPa。根據(jù)上述式(1)計(jì)算得As= 0.003 13 m2，擬定鋼筋直徑28 mm、間距為10.6 cm。

4.2 錨塊縱橋向受力分析

錨固處拉索傳遞的索力分解為縱橋向及豎向分力，為確保錨塊混凝土在縱橋向不會(huì)出現(xiàn)破壞性裂縫，需對(duì)縱橋向錨塊的整體受力情況進(jìn)行分析。

同樣為避免預(yù)應(yīng)力區(qū)域計(jì)算結(jié)果影響，在分析結(jié)果時(shí)，剔除此區(qū)域的混凝土材料單元。錨固塊縱橋向正應(yīng)力云圖如圖6所示，從圖中可見，錨固塊主要受力區(qū)域位于錨孔附近，且與主梁結(jié)合部位出現(xiàn)較大應(yīng)力情況，在索力施加的局部位置，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。依據(jù)規(guī)范[7]中計(jì)算規(guī)定，構(gòu)件端部錨固區(qū)的局部承壓強(qiáng)度應(yīng)滿足：

KcfNc≤βfcAc

式中:其中Nc為預(yù)壓力數(shù)值；Kcf為局部承壓抗裂安全系數(shù)，取值1.5；β為混凝土局部承壓強(qiáng)度提

a) 錨固塊縱橋向(Y向)正應(yīng)力云圖

b) 去除預(yù)應(yīng)力位置應(yīng)力集中點(diǎn)縱橋向(Y向)正應(yīng)力云圖

高系數(shù)；Ac為局部承壓面積；fc為混凝土抗壓極限強(qiáng)度。根據(jù)計(jì)算得出KcfNc=13.17 kN≤βfcAc=20.87 kN，局部承壓強(qiáng)度達(dá)到預(yù)期要求。

4.3 錨塊豎向受力分析

拉索豎向分力主要作用是平衡主梁本身一、二期荷載以及運(yùn)營(yíng)期間的活載，其豎向分力作用下受力情況決定了錨塊結(jié)構(gòu)是否安全合理(見圖7)。根據(jù)圖7所示，在剔除預(yù)應(yīng)力位置處應(yīng)力集中區(qū)域后，錨塊整體受力情況較好，錨孔附近位置應(yīng)力分布均勻，且為整體受壓狀態(tài)，最大為-11.5 MPa。

a) 錨固塊豎向(Z向)正應(yīng)力云圖

b) 去除預(yù)應(yīng)力位置應(yīng)力集中點(diǎn)豎向(Z向)正應(yīng)力云圖

5 結(jié)論

針對(duì)混凝土斜拉橋索梁錨固區(qū)建立ANSYS空間有限元模型，分析錨固處橫梁以及錨塊的三向受力情況。其研究結(jié)果表明：

1) 在橫橋向應(yīng)力分析中，橫梁與腹板相交位置出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力1.82 MPa，其余位置均為受壓；在縱橋向應(yīng)力分析中，錨固塊和箱梁腹板相接位置出現(xiàn)最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力；在豎向應(yīng)力分析中，出現(xiàn)最大拉應(yīng)力3.2 MPa，此處進(jìn)行配筋處理，面積需大于0.005 3 m2。

2) 在錨塊橫向受力分析中，其與梁體腹板相接位置出現(xiàn)6.25 MPa拉應(yīng)力，此處配筋面積需大于0.003 13 m2。

3) 錨塊縱向正應(yīng)力分析中，索力施加位置存在較大局部壓應(yīng)力，依據(jù)規(guī)范計(jì)算所得其安全系數(shù)為0.63<1，局部承壓強(qiáng)度滿足要求。