（工程力学专业论文）斜拉桥索塔锚固区节段受力特性研究.pdf

摘要 自1 9 5 5 年瑞典建成第一座现代斜拉桥( 跨径为1 8 6 2 m 的s t r o m s u n d 桥) 以 来，斜拉桥的发展犹如雨后春笋，显示出其强劲的势头。斜拉桥主塔拉索锚固 区是斜拉桥的关键部位，其受力十分复杂。在大跨度斜拉桥中，索塔锚索区塔 柱大多采用预应力混凝土箱形截面形式，以增加截面的惯性矩，并通过施加环 向预应力来抵抗拉索的强大拉力。随着斜拉桥的发展，环向预应力的应用也逐 渐成熟，但是仍有很多相关的技术难题还有待进一步研究。 在大跨径斜拉桥的设计中，有限单元法是目前锚固区应力分析广泛采用且 行之有效的数值方法，然而，由于锚固区构造上有一定的个体差异，锚固区受 力复杂，应力集中明显，加上斜拉桥结构是逐步形成的施工工艺以及现场施工 条件等因素的影响。因此，对于索力较大的重要大型斜拉桥索塔锚固区除采用 空间有限元方法进行分析外，进行足尺模型的试验验证也是十分必要的。 本文以某斜拉桥为工程背景，对其索塔的索塔锚固区进行了节段足尺模型 试验研究，获取了大量的试验数据，并对试验结果进行了细致的分析；采用大 型通用有限元软件a n s y s 对其索塔节段锚固区进行了比较详细的空间应力及 变形分析，分别计算了拉索锚固区索塔的三节段计算模型、一节段计算模型以 及现场试验模型三种情况；最后进行模型试验结果与有限元计算结果比较。通 过对比有限元计算结果与试验测试结果，对索塔锚固区u 形预应力束的预应力 损失以及其合理布置形式进行了探讨，并阐述了索力作用下锚固区索塔混凝土 的应力及变形情况，同时研究索塔锚固区的开裂荷载及破坏荷载。得出对斜拉 桥索塔设计有益的结论和建议。 关键词：斜拉桥；索塔锚固区；环向预应力；模型试验；有限元 a bs t r a c t s i n c e 也ef i r s tm o d e mc a b l e s t a y e db r i d g en a m e ds t r o m s u n dw i t has p a no f 18 6 2 mw a sc o n s t r u c t e db ys w e d e ni n19 5 5 ，t h ed e v e l o p m e n t o fc a b l e s t a y e db r i d g e h a sb e e ns p r i n g i n gu pl i k em u s h r o o m s ，s h o w i n gg r e a tt e n d e n c y t h ea n c h o r a g ez o n e o fc a b l eb e n tt o w e r , t h ek e ya s p e c to fc a b l e s t a y e db r i d g e ，c a r r i e sc o m p l i c a t e d f o r c e s a sf o rc a b l e s t a y e db d d g ew i t hl o n gs p a n , t h ec r o s ss e c t i o no ft h ea n c h o r a g e z o n eo f c a b l eb e n tt o w e ri sc o n s t r u c t e di nt h es h a p eo fc e l l ，u s i n gp r e - s t r e s s e dc o n c r e t ea st h e c o n s t n j c t i o nn l a t e r i 村i no r d e rt oi n c r e a s et h ei n e r t i am o m e n ta n db a l a n c et h eg r e a t t e n s i o no fi n c l i n e dc a b l e sb ye x e r t i n gh o r i z o n t a lp r e s t r e s s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c a b l e s t a y e db r i d g e ，t h ea p p l i c a t i o n o fa n n u l a rp r e s t r e s si sb e c o m i n gm a t u r e h o w e v e r , t h e r ea r es t i l lm a n yr e l a t e ds k i l l s n o th a v i n gb e e no v e r c o m ey e tw h i c h w o u l db ei m p r o v e df t u t h e r a sf o rt h ed e s i g n i n go fc a b l e s t a y e db r i d g ew i t hl o n gs p a n , n o w a d a y st h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o di su n i v e r s a l l ya p p l i e da sa ne f f e c t i v ew a y f o rp r c 。s t r e s sa n a l y s i so f t h ea n c h o r a g ez o n e ；w h i l ed u et ot h ea n c h o r a g ez o n e sc a r r y i n gc o m p l e xf o r c e s ，t h e p r e s t r e s s i sc o n c e n t r a t e do b v i o u s l y f o rt h es t r u c t u r eo fc a b l e - s t a y e db r i d g e i s g r a d u a l l yc o n s t r u c t e da sw e l la st h ei n f l u e n c e so fo t h e rf a c t o r ss u c ha sc o n s t r u c t i o n o p e r a t i o na 1 1 di ns i t uc o n d i t i o n s ，i ti ss u g g e s t e dn o to n l yt oa p p l yt h es p a c ef i n i t e e l e m e n tm e t h o df o rt h ea n c h o r a g ez o n eo fi m p o r t a n tl a r g eb r i d g ew i t hs t r o n gc a b l e f o r c eb u ta l s ot oc a r r yo u tf u l ls c a l em o d e lt e s t sw h i c hi se x t r e m e l yn e c e s s a r y t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss e g m e n t a lf u l ls c a l em o d e lt e s to ft h ea n c h o r a g ez o n eo f c a b l eb e n tt o w e ra n di t sr e s u l ta sw e l la sd e t a i l e da n a l y s i so nt e s tr e s u l t ，t a k i n gs o m e l a r g ec a b l e s t a y e db r i d g ea u st h ee n g i n e e r i n gb a c k g r o u n d i ta l s om a k e s u s eo ft h eb i g s c a l es p a c i a lf m i t ee l e m e n ts y s t e ma n s y s t oc a r e f u l l yc a l c u l a t et h es p a c i a ls t r e s sa n d s t r a i no ft h es e g m e n t a la n c h o r a g ez o n eo fc a b l eb e n tt o w e r t h r e es e g m e n t so f t h e a n c h o r a g ez o n eo fc a b l eb e n tt o w e ra n das i n g l es e g m e n t a n dm o d e lt e s ta r ec h o s e n f o rc o m p a r i s o na n da n a l y s i s i nt h ee n d ，t h er e s u l to fm o d e lt e s ti sc o m p a r e dw i t ht h e c a l c u l m i n gr e s u l tb yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d a c c o r d i n gt ot h ec o n t r a s tt h e o r y a n dt e s t s ，t h i sp a p e rd i s c u s s e sa b o u tt h ep r e s t r e s sl o s so ft h eu 。s h a p e dp r e s t r e s s b u l l d l ei nt h ea n c h o r a g ez o n eo fc a b l eb e n tt o w e ra n dd e s i r e da r r a n g e m e n t b e s i d e s ，i t a l s oe x p l a i n st h ed e g r e eo fs t r e s sa n ds t r a i no ft h ec o n c r e t eo ft h ea n c h o r a g ez o n eo f c a b l eb e n tt o w e ra sar e s u l to ft h ef u n c t i o no fc a b l e s f o r c e s m e a n w h i l e ，t h er e s e a r c h o nc r a c k i n gl o a da n dr u p t u r el o a do ft h ea n c h o r a g ez o n eo fc a b l eb e n tt o w e ri s i n v o l v e di nt h ep a p e r i nc o n s e q u e n c es o m eb e n e f i c i a lc o n c l u s i o n sa n ds u g g e s t i o n s a b o u tt h ed e s i g n i n go fc a b l e s t a y e db r i d g e sa r eo b t a i n e d k e yw o r d s ：c a b l e - s t a y e db r i d g e ；t h ea n c h o r a g ez o n eo fc a b l eb e n tt o w e r ； a n n u l a rp r e s t r e s sm o d e lt e s t ；f i n i t ee l e m e n t 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者躲妄7 晦醐：2 彳年彭月尸日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 签名：多t l 路指导教师签名：- = 麴丑 矽月夕日日期：叩年争月夕日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 指导狮签名：劭丑 日期： 年月7 日 路尹 ：，月 名厂鹳乡 作卵、， 文 们 一1 位 期 学 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 1 1 1 斜拉桥的发展过程 斜拉桥又称为斜张桥，是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是 由承压的塔，受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。其可看作是拉索 代替支墩的多跨弹性支承连续梁。这样的结构可使梁体内弯矩减小，降低梁的截 面高度，减轻了结构重量，节省了材料。 表1 1 世界大跨度斜拉桥概况 t a b l e l 1o v e r v i e wo fl o n gs p a nc a b l e s t a y e db r i d g ei nt h ew o r l d 序号桥梁名称主跨( 研)国家完成年份 1苏通大桥 1 0 8 8 中国苏州 2 0 0 8 2 昂船洲大桥 1 0 1 8 中国香港 2 0 0 8 3 多多罗大桥( t a t a r a ) 8 9 0 日本 1 9 9 8 4诺曼底大桥( n o r m a n d i e ) 8 5 6 法国 1 9 9 4 5 南京长江二桥南汉桥 6 2 8 中国南京 2 0 0 1 6 武汉白沙洲长江大桥 6 1 8 中国武汉 2 0 0 0 7青州闽江大桥6 0 5中国福州 2 0 0 l 8 上海杨浦大桥 6 0 2 中国上海 1 9 9 3 9名港中央大桥 5 9 0 日本 1 9 9 8 1 0上海徐浦大桥5 9 0中国上海 1 9 9 7 1 1 斯卡恩萨德桥( k a m s u n d e t ) 5 3 0 挪威 1 9 9 l 1 2汕头宕石大桥 5 1 8 中国汕头 1 9 9 9 1 3 鹤见航道桥 5 1 0 日本 1 9 9 1 1 4 荆州长江公路大桥 5 0 0 中国荆州 2 0 0 0 1 5 东神户大桥 4 8 5 日本 1 9 9 3 1 6 西海大桥( s e oh a e ) 4 7 0韩国 1 9 9 9 1 7 阿来西斯桥( a n n a c i s ) 4 6 5 加拿大温哥华 1 9 8 6 1 8横滨海湾桥( y a k o h a m ab a y ) 4 6 0 日本 1 9 8 9 2 第一章绪论 斜拉桥作为一种拉索体系，比梁式桥的跨越能力更大，是大跨度桥梁的最主 要桥型。斜拉桥是由许多直接连接到塔上的钢缆吊起桥面，斜拉桥由索塔、主 梁、斜拉索组成。索塔型式有a 型、倒y 型、h 型、独柱，材料有钢和混凝土 的。 自1 9 5 5 年瑞典建成第一座现代斜拉桥( 跨径1 8 6 2 m 的s t r o m s u n d 桥) 以来， 至今已有5 0 多年的历史，其间，斜拉桥的发展犹如雨后春笋，显示出其强劲的 势头。斜拉桥的发展进入了一个崭新的时代。1 0 8 8 m 的苏通长江大桥和1 0 1 8 m 的 香港昂船洲大桥的建成，充分展现了斜拉桥巨大的跨越能力和优越的结构性能， 斜拉桥已经进入了曾经被认为是悬索桥独占的跨度领域。第一座现代混凝土斜拉 桥是1 9 6 2 年委内瑞拉建成的马拉开波桥，进入上个世纪7 0 年代后，混凝土斜拉 桥得到迅速发展。1 9 7 7 年法国建成的伯劳东纳桥主跨达到3 2 0 m ：1 9 8 3 年西班牙 建成的卢纳巴里奥斯桥主跨达4 4 0 m ；1 9 9 1 年建成的挪威斯卡恩圣特桥跨径为 5 3 0 m ，为当时世界上各类斜拉桥的最大跨径。我国在上世纪7 0 年代中期开始修 建斜拉桥，首先在1 9 7 5 年和1 9 7 6 年分别建成了主跨为7 6 m 和5 6 m 的两座混凝土 斜拉桥，从那之后，全国各地都开始修建斜拉桥。在近3 5 年的时间里，我国的 斜拉桥数量不断上升，跨径不断增大。我国在1 9 9 3 年建成了上海黄浦大桥，主 跨达6 0 2 m 。而2 0 0 8 年建成的苏通长江大桥，主跨已经达到1 0 8 8n l 。 一般说，斜拉桥跨径3 0 0 m 1 0 0 0 m 是合适的，在这一跨径范围，斜拉桥与 悬索桥相比，斜拉桥有较明显优势。德国著名桥梁专家f 1 e o n h a r d t 认为，即使 跨径1 4 0 0 m 的斜拉桥也比同等跨径悬索桥的高强钢丝节省二分之一，其造价低 3 0 左右。因此斜拉桥的发展还有巨大的空间。 1 1 2 斜拉桥索塔锚固技术的发展过程 目前，全世界已经建成斜拉桥3 0 0 余座。斜拉桥中索塔结构是主要的承重构 件，借助斜拉索和主梁组合成斜拉桥的整体结构。 主塔的拉索锚固区，是将拉索的局部集中力，安全、均匀地传递到塔柱的重 要部位。目前混凝土索塔常用的拉索锚固构造主要有交叉锚固、箱壁锚固和钢横 梁锚固等形式乜，。 一i一 图1 1 交叉锚固 f i g u r e1 1c r o s sa n c h o r 图1 2 钢横梁锚固 f i g u r e1 2s t e e lb e a ma n c h o r 蕞上埒 、 彳飞 一 夕l - 璜包i 哺嚏 图1 3 箱壁锚固 f i g u r e1 3b o x w a l la n c h o r 第一章绪论 3 交叉锚固如图1 1 ，斜拉索交叉锚固于塔柱两侧，这种布置方式的特点是， 塔两侧斜拉索交叉通过塔柱轴线后，交叉锚固在塔柱的实心段上，利用塔壁实体 的锯齿形凹槽或凸形牛腿来锚固斜拉索。 钢横梁锚固如图1 2 ，在箱形截面的索塔内，拉索锚固在钢横梁上，钢横梁 本身是一个独立承拉和受力稳定的构件。它支承于空心塔柱内部的塔壁牛腿上， 两端的刚性支承可在顺桥向、横桥向作微小的移动和转动，为此，在两端都需设 置顺、横桥向的限位构造。锚固钢横梁构件承受斜拉索的水平拉力、垂直分力及 偏心弯矩。斜拉索的垂直分力传至牛腿，而斜拉索两侧不平衡水平力，通过横梁 下支承摩阻力或顺桥向两端的水平限位挡板传至牛腿上，这样塔壁承受的水平力 将大为减少，相应地减少了塔柱在平面框架内的局部荷载及其引起的剪力、弯 矩。由于钢横梁两端可作微小的自由移动和转动，它对温度影响造成的约束力将 是很小，这种钢横梁构造及布置方式，使混凝土塔柱在拉索锚固区受力明确、内 力减少，不会产生水平裂缝。 箱壁锚固如图1 3 ，斜拉索直接锚固于索塔内壁的锚固齿块砼上，通常设有 环向“u ”形预应力束或“# ”形预应力束，用张拉预应力束而获得的塔壁内预 压应力来抵消拉索产生的拉应力。国内已建成的润扬长江公路大桥北汊桥、南京 长江二桥、武汉军山长江公路大桥、芜湖长江大桥等的斜拉索均采用箱壁锚固方 式。 1 1 3 问题的提出 箱壁锚固是目前在斜拉桥中拉索与桥塔锚固常用的方式，索塔锚固区的构造 与拉索的布置、根数、索塔形状和构造以及预应力束布置等多种因素有关，应从 设计、施工、养护维修及拉索的更换等各个方面来综合考虑拉索锚固区段的合理 构造。 从总体上看，上塔柱的锚固区内受力比较复杂。特别是拉索锚具下局部的强 大集中力及预应力筋的集中力作用，对结构内力、变形和应力的分布都有较大影 响。考虑到混凝土材料的弹、塑性，非匀质性，孔洞削弱，预应力施工工艺的正 常误差等一系列因素，在设计计算中，单纯用有限元分析，难以全面反映结构的 实际工作状态和应力分布。对于斜拉桥索塔锚固区，还必须经过试验的考查研 究，摸索出结构的受力性能、构造要求和应力分布规律，对直接确定锚固区的总 体安全度和抗裂安全性是十分必要的。为此，最直接、有效的方法是采用索塔的 足尺模型，进行模拟加载试验验证。 索塔锚固区一般均设计为预应力砼箱形空心薄壁断面，以增大截面的几何特 性。为了平衡斜拉桥拉索的水平分力，过去常用的水平束大多为“# 字形直线 束，但因塔柱尺寸较小，使得直线束的长度较短，由于直线束的回缩、接缝压密 4 第一章绪论 和锚具变形引起的预应力损失很大( 可达4 0 以上) ，因而预应力筋用量较多。通 常情况下该区域拉索导管布置较密( 一般最小间距在1 5 m 左右) ，使得构造钢筋 配置较多，客观上增加了施工难度。近年来发展起来的塑料波纹管和真空压浆技 术给大吨位小半径u 形预应力束的应用( 国内南京长江二桥和鄂黄长江大桥首先 采用) 提供了有利条件。实际上，大吨位小半径u 形预应力束比# 形直线预应力 束合理，可大大减少预应力筋的用量，提高材料利用率，由此可减少张拉和灌浆 等高空作业的工作量。由于大吨位小半径预应力群锚体系钢绞线的受力存在不均 匀性，控制索塔环向预应力钢绞线张拉伸长量是保证环向预应力质量的一个难 点。 不少专家提出，锚固区受力复杂，应力集中十分明显，有限单元法是目前锚 固区应力分析广泛采用且行之有效的数值方法，采用平面有限单元法计算锚固区 应力，难以全面反应锚固区应力的真实性。斜拉桥结构是逐步形成的，荷载效应 具有历时性，对于索力较大的重要大型桥梁锚固区除采用空间有限元方法进行分 析外，建议增加试验验证。国内已有多座斜拉桥采用了足尺度模型试验和精细有 限元分析相结合的方法来验证拉索锚固区结构设计的合理性和指导施工。因此， 进行锚固区的模型试验和理论分析是十分必要的。 1 2 斜拉桥拉索锚固区节段模型试验国内外研究现状 1 2 1 国内技术概况 陈建阳等人h h 鲫对武汉军山长江公路大桥索塔锚固区进行了一个标准节段空 间实体有限元仿真分析，并做了足尺模型试验及张拉工艺模型试验研究。武汉军 山长江公路大桥主桥为4 8 m + 2 0 4 m + 4 6 0 m + 2 0 4 m + 4 8 m 双塔、双索面五跨连续的钢 箱梁斜拉桥，索塔采用分离式倒y 型结构，塔柱为非对称空心薄壁断面。上塔柱 断面尺寸7 0 m ( 1 1 0 j i 桥向) 4 5 m ( 横桥向) ，顺桥向壁厚1 2 m ，横桥向壁厚0 6 m ， 斜拉索通过锚块锚固于塔柱的内壁上。锚固区布置横桥向开口小半径u 形预应力 束，顺桥向和横桥向均为偏外侧布置。作者研究认为：1 ) 应力计算值与模型试验 吻合较好；2 ) 小半径u 形环向预应力钢绞线存在受力不均匀性，不宜超张拉；3 ) 小半径u 形环向预应力钢绞线有陷入孔道内壁的趋势，将增大摩擦系数，实际摩 擦系数综合值应由试验确定：4 ) 控制施工伸长量的理论值不能通过规范直接计算 得到，而应综合模型试验得到；5 ) 单根张拉的伸长量小于整束张拉。 项贻强等人口1 进行了南京长江二桥南汊桥斜拉索塔节段足尺模型试验及分 析。该桥为一座特大跨径的双塔钢箱梁斜拉桥，跨径组合为3 0 5 m + 6 2 8 m + 3 0 5 m 。 该桥主塔横桥向采用花瓶型塔，空间扇形双索面，上索塔断面形式采用互相平行 竖直向上的分离式预应力混凝土箱形截面。其单室箱外轮廓长7 5 m ，宽4 5 m ， 第一章绪论 5 节段高2 2 5 m ，箱体两边肋最小厚度为0 6 m ，索锚固墙的壁厚1 2 m ，拉索索孔直 径为0 4 m ，索塔混凝土的设计强度为c 5 0 。通过索塔锚固区节段足尺模型试验， 探讨了箱形截面内布设小半径大吨位的环向u 型预应力体系主要方案的可行性， 给出了在预加应力阶段及混凝土开裂前索塔节段足尺模型的试验测试值和有限元 分析值，并得到了两者之间良好的吻合结果，还得出模型结构的开裂荷载和极限 荷载。 卓卫东等人n 们n q 运用光弹模拟试验技术和现代有限元分析软件，对混凝土桥 塔的拉索锚固区段进行了详尽的空间应力分析，并对锚固区的受力特点进行了分 析探讨。所采用的斜拉桥，其主塔为预应力混凝土结构，塔的外观在横桥向呈倒 y 形，其上部独柱部分为斜拉索锚固区段，采用变尺度的箱形截面，斜拉索穿过 塔壁直接锚固在内侧箱壁之上。该桥的斜拉索采用单索面布置，但在纵立面上的 每根斜拉索则由横向并列、中心间距为1 2 m 的两根索组成，在主塔两侧各有2 9 对斜拉索。在光弹模拟试验和有限元计算模型中，仅取塔顶以下局部的锚固区 段。 。 项贻强及陈国强n 2 1 进行了鄱阳湖口大桥索塔节段足尺模型试验及分析，该桥 主孔结构为6 5 m + 1 2 3 m + 3 1 8 m + 1 3 0 m 四跨预应力混凝土大、小塔双索面斜拉桥， 主塔采用菱型塔，两塔高各为9 1 9 m 和1 1 5 4 m ，上塔柱拉索锚固区段的断面为两 个互相平行竖直向上的分离式混凝土单室箱形截面，斜拉索采用对称箱内壁设置 斜向锚固块的锚固方式。其外轮廓尺寸为：顺桥向长为6 5 m ，横桥向宽为 4 5 m ，拉索锚固墙最小壁厚1 1 m ，箱体两边壁厚o 7 m ，最小节段高1 5 m 。拉索 索孔直径为0 3 3 9 m ，混凝土设计强度为c 4 0 ，一个索塔节段设3 2 束4 层相互交错 的u 型环向预应力束筋。 刘钊等人n 3 1 分别进行了南京长江二桥南汉斜拉桥和润扬长江公路大桥北汊斜 拉桥索塔锚固区的一个标准节段空间实体有限元分析和足尺模型试验。两座桥索 塔均采用预应力混凝土箱形断面，斜拉索通过锚固块锚固于上塔柱的内壁，为抵 抗斜拉索的水平分力，在锚固区的塔壁内均设置了相互扣合的u 形预应力束，但 开口方向有所不同，南京二桥为顺桥向开口，润扬大桥则为横桥向开口，模型试 验加载方式也不同，南京二桥为水平加载，而润扬大桥则为斜向加载。通过索塔 锚固区模型试验研究了不包含齿块砼的锚固区砼u 形预应力束的预应力施工工 艺，进行了索塔模型在u 形预应力束和斜拉索作用下的应力量测与分析，给出了 索塔的开裂荷载及极限荷载。研究认为：1 ) u 形预应力钢筋布束、横桥向开口时 长边侧首先开裂，而u 形预应力钢筋布束、顺桥向开口的时短边侧首先开裂；2 ) 计算分析与模型试验表明，长短边开裂控制部位与节段足尺模型试验相同，开裂 荷载相近，在合理设置u 形预应力束间距的情况下，标准节段有限元分析能够满 6 第一章绪论 足设计要求；3 ) 斜拉索对索塔产生的局部拉力，竖向衰减很快，u 形预应力筋应 尽量靠近斜拉索的锚固点。 1 2 2 国内外技术发展趋势 上述研究均采用了足尺模型试验和计算机分析两种方法。在试验方法上，以 往的索塔模型试验均从方便试验的角度出发，大多采用水平向加载，测点大多布 置在模型表面；有的试验模型将拉索的套筒也改为水平布置；在试验内容上，一 般均以索塔的开裂荷载及安全度是否满足设计要求为目标。计算机分析采用基于 线弹性理论的有限元方法。 由上述研究可以看出，目前国内外对斜拉桥索塔锚固区的研究陆h 4 1 1 主要集中 在对索塔锚固区进行有限元仿真分析和足尺模型试验方面，研究索塔锚固区的预 应力束配置形式和设计参数。其研究的主要问题如下： 为抵抗斜拉索锚固区下强大集中力对箱形截面索塔的作用，保证斜拉索锚 固区有足够的抗裂性和极限承载力，确定合理的预应力索配置形式； 通过足尺模型试验确定预应力索的设计参数，如孔道摩擦系数、预应力索 伸长量，以便正确估计预应力损失，为调整预应力束根数提供依据； 在强大轴向力作用下，索塔锚固区节段由于混凝土的泊松效应增加了锚固 区受力的复杂性和开裂的危险性，通过有限元仿真分析和足尺模型试验，确定锚 固区的防劈裂构造措施； 通过足尺模型试验为索塔锚固区的预应力张拉、真空压浆等施工工艺提供 操作指南和质量控制依据。 实际的锚固区节段混凝土在荷载作用下，其应力应变关系一般呈现出非 线性特性，荷载较大时将出现裂缝，开裂区域的砼退出工作，由钢筋承受绝大部 分拉力。锚固区开裂后混凝土中的裂缝随荷载的增加而不断发展；混凝土中的钢 筋屈服之后也将进入塑性发展阶段。考虑以上所述的非线性特征对索塔锚固区节 段进行分析将能够得到更加合理的结果，但非线性分析计算成本较高，且不易控 制精度，一般很少采用。 1 3 本论文主要研究内容 本论文以某特大桥为工程背景，对斜拉桥主塔拉索锚固区节段进行足尺模型 试验及构造受力研究。试验模型尺寸与实际桥塔锚固区节段尺寸一致；按水平方 式布置拉索索导管；并按实际桥塔预应力束布置方式进行预应力束布置。本论文 的研究，能够对该特大桥索塔锚固区的环向预应力束布置的合理性以及索塔锚固 区的安全性和可靠性进行验证，并指导索塔环向预应力施工以及后期主桥健康监 测具有较强的针对性。 第一章绪论 7 1 3 1 索塔结构分析与优化设计 斜拉桥的索塔锚固区受力十分复杂，强大的索力垂直分力引起塔柱轴向力和 水平力对塔柱产生弯矩和剪力，温度变化、日照影响、支座沉降、风荷载、地震 力、混凝土收缩、徐变等都将对塔柱产生轴向力、水平力、扭矩和顺、横桥向的 弯矩，还有预应力的作用和复杂的难于预料的预应力损失等，使得索塔锚固区的 受力情况极其复杂。本项目将在以往研究成果的基础上进一步探讨斜拉桥索塔的 受力分析方法和理论探索： 索塔锚固区节段模型的空间实体有限元分析 对索塔锚固区的精细仿真分析，主要采用分离体法，即将索塔锚固区的一定 节段分离出来进行三维有限元分析。 在该特大桥总体结构分析的基础上，将部分索塔锚固节段的进行三维分析， 即钢筋用拉杆单元模拟，混凝土用实体单元来模拟，预应力作用采用降温的方法 进行模拟。对索塔锚固区进行材料非线性分析，分析索塔锚固区的开裂荷载和破 坏荷载。 验证索塔锚固区预应力束的合理布置 对于一座斜拉桥，索塔是关键部位，首先要保证结构安全工作，应使索塔始 终处于良好的受力状态，在此基础上考虑节约材料、方便施工等。索塔锚固区预 应力束的合理配置对提高该区域的受力性能具有很重要的意义。 箱形索塔两边斜拉索作用产生的水平分力在索塔横桥向腹板产生剪力，并传 递到索塔的纵桥向腹板上实现自我平衡。索塔纵桥向腹板的拉应力需要预应力束 的预压应力来平衡。为减小索塔横桥向腹板的剪力，索塔锚固区采用u 形预应力 束布置。本研究基于u 形布置预应力束形式，分析斜拉索索力作用下锚固区域产 生的应力分布规律。 1 3 2 足尺模型试验研究 大吨位小半径u 形预应力束的孔道摩阻损失及预应力束张拉的伸长量的试 验。根据实际索塔预应力张拉方案施工，测试小半径u 形预应力束的孔道摩阻系 数及预应力束的伸长量，测试预应力的锚圈口摩阻损失、锚具回缩损失，测试预 应力束的有效预应力及分布情况。 在预应力张拉过程和试验加载过程中测试混凝土的应力变化，分析计算索 塔的应力分布及规律，确定控制应力的位置和数值。 对模型分级施加斜拉索成桥最大索力的水平分力，在加载过程中测试索塔 锚固区模型的应变及变形情况；加载至模型开裂或破坏，并确定开裂荷载和破坏 荷载。 结合试验结果与有限元计算结果，分析索塔锚固区的工作性能，研究裂缝 8 第一章绪论 开展情况和分布发展规律以及裂缝分布发展对索塔锚固区局部构造的承载能力影 响程度，为设计和后期服务中对裂缝控制提供参考。 1 3 3 本论文分析方法 本论文研究主要采用国内外工程经验调研、理论计算分析、现场试验相结合 的综合手段，一方面充分借鉴已有研究成果，收集分析已有工程实例，另一方面 针对该特大桥的具体特点，对已有研究中较少涉及的或不甚明确的内容，结合本 工程，通过数值理论分析和足尺模型试验等手段开展研究。具体如下： 建立该桥索塔锚固区三个标准节段的有限元模型，以确定其细部受力状 况： 通过索塔锚固区三个标准节段的有限元计算结果，把握桥塔受力整体规 律，为试验模型的设计提出合理方案； 鉴于按实际桥塔结构建立试验模型困难，故实际试验模型只采用了一个节 段，为了验证这种简化的合理性，同时建立索塔锚固区一个标准节段和一节段的 试验模型的有限元模型进行计算，并与索塔锚固区三个标准节段有限元模型计算 结果比较； 为了能够将模型试验的结果与理论计算结构进行有效的比较，采用一个节 段的试验有限元模型，根据试验所得参数( 预应力损失、材料强度等) 施加预应 力、斜拉索的索力等两项荷载进行理论计算； 将模型试验结果与节段有限元分析的结果进行比较，分析索塔锚固区的受 力，为主塔结构的优化设计提出合理建议，并完善施工工艺。 第二章三1 i 段桥塔锚区有岛l 元分析 9 第二章三节段桥塔锚固区有限元分析 21 有限元模型的建立 211 某斜拉桥工程概况 某大桥全长8 2 i m ，主桥采用4 3 m + 1 4 7 m + 3 8 6 m + 1 4 7 m + 4 3 m 的双塔双索面预 应力混凝上斜拉桥，锚跨与主跨跨径比为o 4 9 ，为了增加斜拉桥的整体刚度，两 边跨各设一个辅助墩，将】9 0 m 的边跨分成4 3 m + 1 4 7 m 两跨。 在辅助墩、过渡墩和索塔下的横粱i ：均设置竖向支座，结构为半飘浮体系。 在索塔处设置横向限位支座，以及纵向油压阻尼器，防止在地震等情况下发生过 大的水平变形。 囊塔采用“h ”型素塔钢筋混凝土 结构塔高为1 9 3 m ，索塔上塔柱高 7 8 5 m ，中塔柱高4 2 m ，下塔柱高 7 25 m 。为了使塔柱与主粱、斜拉索受力 合理、斜拉索定位方便、降低工程造 价，设计选用了预应力钢筋混凝土箱形 截面的桥塔结构。素塔的造型以及各部 分的断面型式、尺寸考虑了结构的受力 要求。同时也考虑了施工的方便性和可 操作性。塔柱截面采用箱形封闭截面 全塔塔柱均采用矩形截面，上塔柱外形 尺寸为45 r e x 75 m ，中塔柱外形尺寸为 45 m x 75 m ，下塔柱横向由45 m 变化到 底部尺寸为g i n ，纵向由7 5 m 变化到底 部尺寸为1 3 o m ，桥塔均为空心结构：上 下横粱分别为6 m 7 m 和7 m 65 m 的空 心矩形截面，斜拉索在桥塔上的锚固问 围2i + 并蜡示意围 f i g u r e 2 1s e h c a l a t i c d m g r 枷o f t h * b r i d g f ：i o w c b 距由上至下分别为1 4 m 1 7 5 m 、1 6 m 2o m 。 上塔柱的断面尺寸为45 0 m ( 短边，横桥向) 75 0 m ( 长边，顺桥向) ，壁厚为 12 0 m ( 短边) 08 0 m ( 长边) 在箱内四侧壁之间设置1 o o m 0 5 0 m 的倒角箱 外四角均设置半径为05 m 的圆弧倒角。 在上塔柱锚素区( 如图21 ) ，塔柱内壁设置拉索锚固块。为了平衡索力的水平分 力，在锚索区范围内布置十s 1 5 2 一i 2 环向预应力钢柬，每标准节段为1 2 束。由于环 向预应力束的弯曲半径较小，沿预应力柬曲线的径向布置防劈裂钢筋以防止内侧 1 0 第二章三节段桥塔锚固区有限元分析 混凝土崩裂。预应力管道采用塑料波纹管，管道压浆采用真空辅助压浆法。 2 1 2a n s y s 应用软件的介绍 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有 限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 开发， 它能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级 c a d 工具之一。 a n s y s 有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，软件主要 包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一 个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。 分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分 析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分 析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流 迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式显示出 来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 a n s y s 程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。自顶向下进 行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元，程序 则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型， 如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向上 方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。 a n s y s 程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重 叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的 建模工作量。a n s y s 程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体 模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成 面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、 移动、拷贝和删除。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模 型，即用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。 a n s y s 程序提供了使用便捷、高质量的对c a d 模型进行网格划分的功能。 包括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网 格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模 型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。 a n s y s 程序的自由网格划分功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免 了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适 应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成 第二章三节段桥塔锚固区有限元分析 有限元网格分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计 算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次 数。 21 3 有限元分析的依据 根据实际情况，该桥索塔模型不可能取得太大，只能选取某些节段进行分 析。而节段模型又有自身的局限性：模型材料特性较易准确模拟但边界条件模 拟要想与实际情况相同是很难做到的。根据圣维南原理可知，节段选择越多的模 型与实际情况越为接近，计算误差越小，反之则越大，所以该桥索塔节段模型也 不易选取过少。本节选取上塔柱索塔锚固区犀上端三个标准节段( 每个节段为1 2 束中s 1 5 2 - 1 2 预应力钢束，即m 、n 2 、m 和n 4 各三束，偏安全地不计索塔锚固 区最顶端的六束预应力筋) 建立三维实体有限元模型，进行索塔三节段有限元计算 分析，如图22 图2 3 。 本论文有限元仿真分析共建立了三种三维实体模型，即索塔三节段模型( 如图 2 2 圈23 ) 、索塔一节段模型和试验模型( 如图51 ) 。本章着重介绍索塔三节段模 型有限元分析，一节段模型和试验模型的分析将在后序章节介绍。 图22 索塔三节段实体模型 f i g u r e 2 2 t h es o t i d m o d e l f o r t h r e es e g m e m s o f c a b l e b e n t t o w e r 第二章三节段析者镰固区有限元分析 田23 索塔三节段宥礓元横型 f i g u r e 2 3 t h e n n ；t ee l e m e n t m o d e l f e r 自a e e s e g r a e n t s o f c a b l e b 蚰t t o w e r 本章选取索塔锚固区最顶端三个节段高5 5 6 m 。建立a n s y s 三维实体横型 ( 斜向加载) 分析索塔锚固区节段的受力情况，为后序的试验模型设计提供理论 依据。 建立a n s y s 有限元计算模型，混凝土结构采用单元s o l i d 9 2 ，预应力钢绞 线采用l i n k 8 模拟，计算时采用降温法模拟有效预应力。降温法的基本原理是： 假定钢绞线与混凝土之间粘结完好无滑移，首先将结构内预应力钢束通过的节点 用若干个线单元( 比如l i n k 8 ) 连接，将预应力钢柬沿程的有效预应力转化为温度 变化( a r = d 。h e ，式中：a t 为与预应力荷载等效的温度变化值，d ，为预 应力柬的有效预应力，e 为顶应力钢绞线的弹性模量，口为预应力钢绞线的线膨 胀系数) ，然后在线单元( 分为很多段，每段上的温度变化取各自起点和终点的平 均值) 各段上施加a r 。降温的作用效果相当与给预应力束的线单元旌加了数值为 a z 口的初应变，相当于模拟了有效预应力荷载。 本论文研究大桥索塔锚固区环向预应力钢绞线各部位( 如图2 4 ) 有效预应力 计算值如表21 ( 其中根据规范k 取o 0 0 1 5 ，p 取0 1 7 ) 。 第二章三节段桥塔锚固区有限元分析 1 3 表2 1 索塔锚固区有效预应力计算值 t l b l e2 1c a l c u l a t e dv a l u e sf o rs a t ae f f e c t i v ep r e s t r e s so fa n c h o r a g ez o n e 计算位置 a ( a ，)b ( b )c ( c )d ( d )e ( e )f ( f ) g 外侧束n l 、n 2 有效预应j