斜拉桥预应力混凝土索塔锚固结构受力性能分析

斜拉桥预应力混凝土索塔锚固结构受力性能分析

惠 兴 智

(山西省交通科学研究院， 山西 太原 030006)

摘 要：为了研究U形与直线预应力束混合布置索塔锚固结构的受力特性，以国内某姊妹塔斜拉桥的菱形桥塔为例，采用通用有限元程序建立索塔锚固结构的节段有限元模型，分析索塔锚固结构在预应力荷载与斜拉索水平力共同作用下的受力情况。结果表明：在索塔锚固结构中采用U形与直线预应力束混合布置能较好的满足设计要求，使锚固区整体处于较为合理的压力状态之下，除局部的应力集中外，基本消除了斜拉索作用下顺桥向塔柱的拉应力；在齿块与塔柱内壁的结合处存在应力集中现象，应当引起足够的重视，施工时应严格控制施工质量。

关键词：斜拉桥；菱形桥塔；索塔锚固结构；受力分析

桥塔是斜拉桥的重要组成部分，桥塔设计与研究的重点、难点均是斜拉索锚固结构，索塔锚固结构是将斜拉索的集中索力均匀传递至桥塔的重要构件[1-3]。设计时应选取合理的锚固形式以保证该区域的受力安全。

预应力混凝土索塔锚固结构是目前使用最普遍的索塔锚固方案之一[4]。对于空心断面桥塔，斜拉索可直接在塔壁内侧的齿块上进行锚固，此时，索力水平分力在锚索侧塔壁内产生较大内力，为了防止塔壁在运营过程中开裂，可在塔壁截面内布置预应力来平衡斜拉索索力产生的内力[5]。

常用的索塔锚固结构内预应力布置方式分为4类：由曲线或直线预应力在索塔截面双向构成的“井”字束；仅沿顺桥向在索塔截面内设置开口U形束；仅沿横桥向在索塔截面内设置开口U形束；同时在索塔截面内设置直线、U形预应力形成混合束。其中，混合束在索塔截面内形成的预压力分布模式与索塔截面内拉力的分布模式相似，索塔受力的安全度也最高。但是，混合束方案使用的预应力材料较多，导致锚固结构受力也相对较复杂，很难通过理论方法完成分析。

项贻强等[6]研究了南京长江二桥南汊桥索塔锚固结构的受力，结果表明该类索塔锚固结构的安全系数较高。刘兆丰等[7]研究了长寿长江公路大桥索塔锚固结构的受力，结果表明加载至2.0倍设计索力时结构始终处于弹性工作状态。姚建军等[8]采用试验方法研究了忠县长江大桥索塔锚固结构的受力情况。张亮亮等[9]对比分析了3种工况下某混凝土索塔锚固区的受力特点，认为采用环向井字形的水平预应力束配置形式是合理的。田仲初等[10]采用模型试验与有限元方法研究了三塔斜拉桥索塔锚固区的局部受力特性。叶华文等[11-12]采用理论推导、模型试验与有限元分析方法进行研究，结果表明斜拉索水平力主要由环向预应力筋承担，非对称受力对锚固区受力影响不大。王宏祥[13]采有限元方法研究了某斜拉桥索塔锚固区受力情况，认为合理施加预应力可以有效改善索塔锚固区的受力性能。崔楠楠等[14]研究了广中江高速公路西江水道桥的单向预应力体系索塔锚固区的受力情况。沈璐等[15]分析了吉林省兰旗松花江斜拉桥索塔锚固区环型钢束预应力损失计算的特点。

本文以国内某姊妹塔斜拉桥为例，建立其索塔锚固结构节段的三维实体有限元模型，对其受力情况进行分析，以期为该类结构的设计与应用提供一定的理论指导和参考依据。

1 工程概况

国内某斜拉桥为全长440 m、跨径组合110 m+220 m+110 m的双塔四索面斜拉桥。采用上、下行两幅桥、姊妹双塔、分离主梁的布置，斜拉索在主梁两侧形成空间索面(见图1)。混凝土主梁为肋板式结构，为全预应力混凝土结构，单幅桥主梁宽度为23 m，肋高2.2 m，桥面板厚度为0.3 m。斜拉索采用空间四索面扇形布置，全桥共设112对直径为7 mm的镀锌高强度低松弛平行钢丝斜拉索。桥塔由两个并列的菱形塔横向连接而成，桥塔高度分别为91.5 m、92.5 m，在桥塔的斜拉索锚固区段混合设置U形与纵向直线预应力束。

图1 姊妹塔斜拉桥整体布置(单位：cm)

索塔锚固结构如图2所示，采用预应力混凝土箱形截面形式以充分发挥混凝土的材料特性，并通过在索塔锚固区采用大吨位、小半径的U形预应力束横桥向开口和水平直线预应力束联合的布置形式，来平衡斜拉索强大顺桥向水平拉力。

图2 锚固区半结构构造

U形预应力钢束和顺桥向水平预应力束分别采用Φs15.2-14、Φs15.2-5高强度低松弛钢绞线，钢绞线抗拉强度为1 860 MPa，张拉控制应力为1 395 MPa；其预应力钢束布置如图3所示。

图3 预应力钢束布置

2 有限元分析模型

由空间杆系静力计算，经索力优化后确定的最不利荷载组合下的塔端最大索力出现在MS14号索，即桥塔的最上一节锚固段，且此段斜拉索的水平倾角最小，水平分力最大，所以此段为最不利区域。为了提高计算效率，根据圣维南局部影响原理，取MS14号索锚固区域附近2.4 m高的索塔节段进行计算分析。采用通用有限元程序ANSYS 17.0建立索塔锚固区3维实体有限元模型，其中，混凝土塔壁、齿块和锚垫板采用多节点实体单元SOLID 187模拟；预应力钢束采用空间杆单元LINK 8模拟，通过对LINK 8单元降温来施加预应力效应。分析中考虑斜拉索孔道对锚固区的削弱作用，但将整个结构视为匀质弹性体，不考虑普通钢筋及防止U形预应力束崩裂的构造钢筋。计算模型的几何构造与网格划分情况如图4～图6所示。

材料属性：桥塔混凝土强度等级为C50，弹性模量为3.5×104 MPa，泊松比为0.2；预应力钢束标准抗拉强度为1 860 MPa，弹性模量为1.95×105 MPa，泊松比为0.3；锚垫板材料为Q235钢材，弹性模量为2.1×105 MPa，泊松比为0.3。

图4 计算模型的几何构造

图5 索塔锚固结构有限元模型

边界条件：约束节段模型下层所有节点的三向线位移。考虑边界条件的局部影响，仅对锚孔附近节段进行分析。

图6 预应力钢束离散图

计算荷载：根据全桥整体分析结果，位于塔顶的MS14号索塔端索力为4 632.2 kN，对应的MC14索的塔端索力为3 527.6 kN。索力以面力形式施加在锚垫板上，U形预应力束和顺桥向水平预应力束的张拉控制应力为1 395 MPa。U形预应力束属于大吨位小半径预应力，其预应力损失的计算较为复杂，根据有关文献[8-10]和以往斜拉桥索塔锚固区的阶段模型试验研究结果，锚固区U形预应力束的预应力损失均在50%左右，本文按预应力损失为50%计算，有效预应力为697.5 MPa；顺桥向水平预应力束的预应力损失按照规范计算，有效预应力为1 345 MPa。

3 结果分析

同时考虑斜拉索索力和锚固区预应力钢束的作用，对锚固结构进行受力分析。文中应力结果正值为拉应力，负值为压应力。

考虑到圣维南局部影响原理，在锚孔以下取出一节段观察结果，为了结果的分析方便，在取出的节段表面设置一系列应力值特征点，特征点的布置如图7所示。其中边跨侧齿块上应力值观察点的布置与中跨侧相同，编号以C'n表示(图中未示出)。

(1) 主拉应力分析。由图8与图9给出的应力云图可以看出，在拉索索力与预应力共同作用下，塔柱上最大应力值为0.88 MPa，出现在T16特征点处；齿块与塔柱内壁结合处，中跨侧最大应力为2.92 MPa，出现在特征点C3处，边跨侧最大应力为3.72 MPa，出现在C'2处，可见主拉应力值已超出C50混凝土的抗拉强度，这是由于计算中没有考虑在齿块区域布置的密集构造钢筋和局部加强钢筋，在实际工程中并不会出现如此大的主拉应力，但是此区域仍然是设计的关键部位，应当引起足够的重视，确保施工质量。

图7 应力值特征点布置

图8 整体主拉应力分布(单位：Pa)

图9 塔柱内部剖面主拉应力分布(单位：Pa)

(2) 主压应力分析。由图10与图11给出的主压应力云图可以看出，在拉索索力与预应力共同作用下，齿块后方塔柱主压应力值较大，向外侧锚孔逐渐扩散，应力最大值为-13.6 MPa，出现在T28特征点处；齿块与塔柱结合处，中跨侧最大应力值为-7.49 MPa，出现在特征点C4处，边跨侧最大应力值为-9.98 MPa，出现在C'4处。可见结构的主压应力值远小于C50混凝土的抗压强度，即主压应力并不是控制预应力混凝土索塔锚固结构设计的关键因素。

图10 整体主压应力分布(单位：Pa)

图11 塔柱内部剖面主压应力分布(单位：Pa)

4 结 语

(1) 在斜拉索与预应力共同作用下，索塔锚固区的主拉应力最大值为3.72 MPa，出现在齿块与塔柱内壁结合处，超出了C50混凝土的抗拉强度，但这与计算没有考虑齿块上布置密集的构造钢筋和局部加强钢筋有关，实际工程中的主拉应力值不会如此大。

(2) 在斜拉索与预应力共同作用下，索塔锚固区的主压应力最大值为-13.6 MPa，出现在齿块后方塔柱处，可见结构的主压应力值远小于C50混凝土的抗压强度，主压应力并不是控制预应力混凝土索塔锚固结构设计的关键因素。

(3) 虽然采用预应力体系能够降低索塔锚固结构的主拉应力，但在进行预应力设计时仍要重视齿块与塔柱内壁结合处的构造，确保应力较好的扩散。

参考文献：

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[15] 沈 璐,邱文亮.大跨度斜拉桥索塔锚固区环向钢束预应力损失分析与试验研究[J].水利与建筑工程学报,2016,14(2):96-99.

Mechanical Behavior of Anchorage Zone of Cable-stayed Bridge Pylon

HUI Xingzhi

(Shanxi Transportation Research Institute, Taiyuan, Shanxi 030006, China)

Abstract：In order to analyze the mechanical characteristics of the cable-tower anchor zone with U prestressing tendon and linear prestressing tendon mixed layout, the diamond tower of a sister cable-stayed bridge has been studied. By using the general finite element program, the segmental finite element model of the cable-to-tower anchorage zone is developed and its stress conditions are analyzed combined prestressed load and horizontal force of cable. The results shows that the cable-to-tower anchorage zone with U prestressing tendon and linear prestressing tendon mixed layout can meet the design requirement preferably. The anchorage zone is in a relatively reasonable pressure state except local stress concentration and the longitudinal tensile stress of the tower basically eliminated except local stress concentration in the force of cable. While it should be paid enough attention for the stress concentrate phenomenon in the junction of block tooth and the tower’s inner wall, and construction quality should be strictly controlled during construction.

Keywords：cable-stayed bridge; diamond tower; anchorage structure in tower; stress analysis

DOI：10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.042

收稿日期：2017-01-09

修稿日期：2017-02-28

作者简介：惠兴智(1984—)，男，陕西榆林人，工程师，主要从事桥梁设计工作。 E-mail: [e-mail]

中图分类号：U441+.5

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2017)02—0219—05