广珠线西江特大桥主桥索塔锚固区局部应力分析

文章编号:1671 - 2579(2008)04 - 0122 - 04 广珠线西江特大桥主桥索塔锚固区局部应力分析 刘兆丰,赵人达,杨永清 (西南交通大学,四川 成都 610031) 摘 要:混凝土斜拉桥索塔锚固区同时存在环向预应力和斜向拉索力的共同作用,处于 空间三维应力状态,构造和受力状态都十分复杂。为揭示该区域的受力特性,以广珠线西江 特大桥主桥为背景,运用有限元方法对索塔锚固区进行了空间应力分析,介绍了模型中斜拉 索力、 预应力、 边界条件模拟的方法,给出了结构特征点处的应力值。结果表明该模型受力合 理,计算方法可为同类型斜拉桥索塔锚固区的受力分析提供借鉴。 关键词:斜拉桥;受力特性;有限元方法;索塔锚固区 收稿日期:2008 - 01 - 10 作者简介:刘兆丰,男,博士研究生. E - mail :lzf1126 163.com 1 引言 广珠城际快速轨道交通工程是珠三角地区快速轨 道交通网络的重要组成部分,西江特大桥是该工程江 门支线上的重要桥梁,主桥横跨西江。主桥采用100 + 2210 + 100 m独塔斜拉连续刚构组合桥,系铁路 桥梁首次采用,全长621. 6 m(含两侧梁端至边支座中 心线各0. 8 m)。主梁采用预应力混凝土单箱双室截 面。主塔采用曲线钻石形预应力混凝土桥塔,桥面以 上塔高70. 0 m(图1) ,上塔柱高28 m ,为单箱单室截 面,中塔柱高42 m ,为两分离的单箱单室截面,上塔柱 与中塔柱间设置中横梁,高2. 5 m。斜拉索采用空间 双索面体系(图 2) 。斜拉索与塔采用设置齿块的锚固 方式,张拉端设置在塔内。索塔锚固区预应力筋采用 32高强精轧螺纹钢筋,“井” 字形布置(图 3) 。广珠城 际快速轨道交通桥梁设计的列车活载图式采用0. 6 UIC荷载图式(图4、5) ,动力系数 = 2.16 / ( L- 0.2)+ 0.73, 1. 0时取1. 0。 图1所示索塔横向的两塔柱在整个上塔柱范围内 交会,整个索塔锚固区节段刚度较大,有利于抵抗拉索 的不平衡拉力,能承受较大的弯矩。但是图2所示空 间双索面的布置,使得拉索锚固区构造复杂,锚固区为 承受纵、 横向的拉索水平分力及由它们产生的弯矩,截 面横向和纵向一样须设置足够的尺寸及预应力筋。索 塔锚固区布置了如图3所示纵横向的 “井” 字形直预应 力筋,该形式预应力筋的优点是保证索塔截面各点的 安全度比较接近,不易存在薄弱环节。 221 中 外 公 路 第28卷 第4期 2 0 0 8年8月 斜拉桥的索塔锚固区是将主梁内力通过斜拉索传 递到主塔的关键部位,拉索的局部集中力通过这一部 位安全、 均匀地传送到塔柱。索塔锚固区除承受斜拉 索强大的空间斜向索力外,还承受着环向预应力的作 用,同时存在孔洞削弱、 楔形锚固齿块等构造缺陷因素 的影响,处于空间三维应力状态,一定范围内存在强大 的局部应力,构造和受力状态极为复杂,因此,斜拉桥 索塔锚固区节段受力性能的探讨一直以来受到桥梁界 人士的关注,必须针对该区域进行局部精细有限元分 析,以揭示该区域的受力特性和应力分布规律。西江 特大桥主桥采用的独塔斜拉连续刚构组合桥,系铁路 桥梁首次采用,无先例可参照,索塔锚固区工作状态如 何是设计中的一大疑点和难点,为了消除该疑点,确保 结构的安全可靠,本文对索塔锚固区局部域进行空间 精细有限元分析,以明确索塔锚固区受力,为同类结构 类型斜拉桥索塔锚固区的受力分析提供借鉴。 2 计算方法 计算时首先采用杆系有限元程序计算整个斜拉桥 的受力,整体有限元模型见图6 ,考虑了结构自重、 二 期恒载、 预应力、 混凝土收缩徐变、 列车活载、 列车制动 力、 支座沉降、 温度和风荷载等作用,并对不同的作用 进行组合,得到索塔锚固区受力的最不利工况,取出该 工况下索力荷载最大的相应锚固区节段建立局部模 型。通过斜拉桥整体静力分析可知塔顶部斜拉索的索 力最大且倾角最小,水平拉力最大,故取塔的最上一段 作为研究对象。根据圣维南原理,为消除边界效应对 分析区域受力的影响,同时考虑楔形锚固齿块之间的 相互影响,从塔顶往下截取10 m长的节段(共包含3 对斜拉索)。 图6 整体平面有限元模型 3 空间有限元模型 利用有限元程序Ansys为计算平台对截取的锚 固区节段进行精细空间有限元分析。有限元模型采用 Solid45单元模拟混凝土;采用Shell63单元模拟斜拉 索的锚垫板和预埋钢套管;采用Link8单元模拟预应 力钢筋;采用Surf154表面单元专用于加载模型节段 剖开面的力边界条件;采用施加加速度的方式模拟结 构重力。图7为空间有限元模型的两个不同视角。 图7 索塔锚固区空间有限元模型 3. 1 斜拉索力模拟 斜拉索索力按最不利组合值取用(索力大小见图 8) ,模型模拟了实际的斜拉索锚固区形状以及锚固构 造(锚垫板、 钢套管 ) , 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,施加面积为斜拉索锚头 与锚垫板接触的圆环面积,作用方向垂直锚固面并与 拉索的方向一致。 3. 2 预应力模拟 预应力筋采用Link8单元模拟,预应力采用单元 的降温方式施加,计算完预应力损失后对预应力筋单 元分段降低不同的温度来模拟预应力对模型的作用。 各向预应力损失可按下面的方法模拟。 321 4期 广珠线西江特大桥主桥索塔锚固区局部应力分析 (1)对于由预应力筋与管道壁之间的摩擦、 锚具 变形、 钢筋回缩、 预应力筋松弛引起的损失,把预应力 分成几段,按规范规定的办法计算完各点的损失后各 段降不同的温度。 (2)对混凝土的弹性压缩引起的损失,有限元模 型本身计算已包含。 (3)对混凝土的收缩引起的损失,可以对有限元 模型中混凝土单元降温来模拟。 (4)对混凝土徐变引起的损失由于与混凝土的应 力有关,可以先按不考虑徐变损失的预应力计算混凝 土的应力状态,再按混凝土的应力状态计算徐变损失, 得到永存预应力,再按永存预应力计算桥塔的应力 状态。 3. 3 边界条件 将斜拉桥整体计算得到的最不利工况下的相应截 面的内力作为局部模型切开处的力边界条件,模型力 边界条件见图8 ,轴力、 剪力和弯矩均以等效应力(面 力)施加于模型切开处;位移边界条件在塔柱模型下端 切开面处采用空间简支约束,高度方向位移为零,其余 两个方向的变形置为静定,从而限制模型的任意移动 又不影响结构的变形。 图8 索塔锚固区节段力边界条件 4 计算结果 4. 1 受力平衡验算 由于有限元分析规模较大,为保证计算结果的可 靠性,必须进行力的平衡验算。利用模型约束输出的 反力,可以对计算反力和外力进行平衡验算。由于模 型截断面的内力边界条件以及与之相应的斜拉索力均 已施加于模型上,再加上结构的自重,根据力学原理, 该节段的外力合力应为零,从而模型约束产生的反力 合力理论上也应为零。表1为计算反力与外力的比较 结果。从表1可见,力的平衡条件得到了较好的满足。 表1 计算反力与外力的平衡验算 方向外力合力/ kN反力合力/ kN 高度方向010. 2 横桥方向00. 483 竖桥方向0- 7. 5 4. 2 应力分析 4. 2. 1 主应力分析 索塔锚固区主应力分布如图9所示。节段基本处 于受压状态,绝大部分区域主拉应力为零或很小。斜 拉索锚固齿块尖端与塔结合处小角度转折,局部应力 集中,产生相对较大主拉应力值,最大值为4. 70 MPa。 锚固齿块侧面与塔壁交接处应力集中,主压应力最大 达到27. 4 MPa。斜拉索锚垫板下方主压应力较附近 区域较大,最大值为9. 05 MPa。此外,预应力筋锚固 区附近也存在应力集中现象。各应力集中区域可通过 局部构造处理得以改善。 图9 锚固区主应力分布(单位 :Pa) 4. 2. 2 水平应力分析 索塔锚固区水平方向应力分布如图10所示。在 索力和预应力钢束共同作用下,有斜拉索直接锚固的 箱体部分(左右两横塔壁)靠内壁部分承受顺桥向的水 平压应力,靠外壁部分承受顺桥向的水平拉应力,在拉 索出口塔壁处由于截面的削弱,易产生应力集中,但应 421 中 外 公 路 28卷 图10 锚固区水平方向应力分布(单位 :Pa) 力数值均不大;左右两横塔壁横桥向承受压应力,可见 预应力筋的作用抵消了拉索产生的拉应力。没有斜拉 索锚固的箱体部分(前后两纵塔壁)顺桥向承受压应 力,数值均较小,可见预应力筋的作用抵消了拉索产生 的拉应力;横桥向受到的应力数值较小。在预应力筋 锚固区域和斜拉索锚固齿块区域存在应力集中现象, 可通过局部构造处理得以改善。 由以上分析可见,预应力筋的作用基本消除了拉 索作用下塔壁的拉应力,阶段整体处于受压状态。高 应力区域主要分布于预应力筋锚固区和斜拉索锚固块 附近一定范围内,主要是由于在这些区域承受强大的 预应力或斜拉索力作用,且本身构造较为复杂,易产生 应力集中,这两个区域的应力峰值见表2。为改善这 些区域的受力情况可以采取以下措施:加强这些区域 的钢筋布置,注意受力钢筋和锚固区分布钢筋的位置 和数量,特别是角隅处以及锚垫板下方的抗裂钢筋的 布置;锚垫板与喇叭管之间设置刚度较大的加劲板;在 施工中需严格控制该区域混凝土制作质量,加强锚固 区混凝土的振捣和养护。 表2 高应力区域应力峰值 区域 主应力/ MPa 主拉应力主压应力 顺桥向应力/ MPa 拉应力压应力 横桥向应力/ MPa 拉应力压应力 斜拉索锚固块- 4. 7014. 60- 0. 506. 82- 0. 6017. 06 预应力筋锚固区- 3. 7526. 56- 1. 6014. 70- 0. 1022. 90 5 结论 (1)索塔锚固区整体处于受压状态,除局部区域 外,预应力筋的作用基本消除了拉索作用下塔壁的拉 应力,有斜拉索直接锚固的箱体部分(左右两横塔壁) 外侧是拉应力出现的部位,在拉索出口塔壁处削弱作 用明显,易出现拉应力集中,在预应力束布置时应充分 考虑外侧的压力储备,同时也应考虑预应力对结构的 局部应力的影响。 (2)桥塔锚固区节段采用 “井” 字形直预应力筋, 施工方便。预应力筋较短,为避免预应力损失较大,采 用预应力高强钢筋。 “井” 字形预应力筋在索塔截面的 预压应力分布模式和斜拉索在索塔整个截面的应力分 布模式比较吻合。 (3)斜拉索锚垫板下方、 斜拉索锚固齿块与塔壁 的结合处以及预应力筋锚固区附近属于高应力区域, 应通过构造措施加以改善,施工时加强质量管理。 (4)索塔节段模型在斜拉索力和预应力共同作用 下,受力较为合理,虽然局部存在应力集中现象,但影 响范围不大,可通过构造处理得以改善。实际施工时 使用的索塔,应考虑具体的养护、 施工条件以及混凝土 的收缩徐变对索塔的受力影响。 参考文献: 1 梁 柱,叶贵如.跨金华江斜拉桥索塔锚固区应力仿真分 析J .铁道建筑,2004(11) . 2 单 炜,李玉顺,于 玲,等.异形截面斜拉桥索塔锚固区 节段足尺模型试验研究J .中国