重庆东水门长江大桥索塔锚固区非线性接触受力分析.pdf

公路 交通技 术 2010 年 l 0 月 第 5 期Technol ogy of H i ghway and Transpo O ct 2010 No 5 重庆东水门长江大桥索塔锚固区 非线性接触受力分析 耿 波 程宇鹏 李 军 王 丰华 1 招商局重庆交通科研设计院有限责任公司 重庆400067 2 重庆交通大学土木建筑学院 重庆400074 摘要 重庆东水门长江大桥索塔锚固区结构新颖 取消了普通外置式铜锚箱索塔锚固区的端板 钢锚箱与混凝土 塔肢之间采用剪力钉连接 同时还布置塔肢间预应力 使钢锚箱与混凝土紧密连接 用剪力钉 侧拉板和摩擦力共 同承担斜拉 索的 索力 针对该新型结构形式 利 用大型有 限元软件 M i das FEA 建立 索塔锚 固区的非线性接 触模 型 通过对其进行精细仿真计算分析 得出钢锚箱 侧拉板 剪力钉和塔壁混凝土的应力分布情况 以及索力的传 递 分 配情 况 关键词 东水门长江大桥 索塔锚固区 有限元 非线性接触模型 仿真分析 文章编号 1009 6477 2010 05 0036 06 中图分类号 U448 27 文献标识码 A A n a lysi s of N on l i ne a r C o nta ct F o rce jn A n cho ra g e Z o ne of C a bl e T o w e r o n C ho n gq i ng D o ngs hu i m e n Y a ngtze R i ve r B ri dg e G E N G B o C H E N G Y upeng2 LI Jun W ang F enghua A b stra ct A n ovel structure i s adopted i n an ch orage zone of cabl e tow er on C h ongqi ng D on gshu i m en Y an gtze R i ver B ri dge the en d p l ates i n anchorage zon e of com m on extern al steel anchor b ox cab l e to w er are cancel l ed an d the steel an chor boxes are conn ected w i th concrete tow er l i m b s by m ean s of shear stu d s i n the m ean ti m e the prestress am ong tow er l i m b s i s a anged enabl i n g cl ose con necti on betw een the steel an chor boxes and concrete an d the sh ear stud s si de pul l i ng p l ates and fri cti on force are used to bear the force of stayed cab l es A i m i ng at thi s novel stru ctu re th i s pap er estab l i shes a n onl i near con tact m odel for anchorage zone of cab l e tow er vi a l arge scal e fini te el em ent softw are M i das FE A the stress di stri buti on i n th e steel anch or b oxes si de pul l i ng pl ates shear stu ds an d concrete on tow er w al l s are ac qui red as w el l as tran sfer and di stri buti on of cabl e force based on exqui si te si m u l ati on cal cul ati on fo r the m ode1 K ey w ord s D ongshu i m en Y an gtze R i ver B ri dge an chorage zone o f cabl e tow er fi ni te el em en t no nl i n ear con tact m od el si m u l ati on an al ysi s 近年来 钢混组合索塔锚固结构在大跨度斜拉 桥索塔锚固中得到了大量应用 其锚同形式从主塔 构造角度看 主要分为 2 种 1 对于整体式主塔 通常采用主塔 内置钢锚箱或钢锚梁的形式 这也是 目前国内外应用最多 的一种形式 如上海长江大 桥 苏通长江大桥和厦漳跨海大桥等I 2 对于 分离式主塔 通常采用剪力钉连接方式将塔肢与外 置钢锚箱结合起来 剪力钉起到主要传力作用 如 杭州湾跨海大桥 41 在第 2 种锚固形式中 斜拉索 锚固在组合结构的钢锚箱上 其水平分力主要通过 钢锚箱和塔肢混凝土来承担 二者主要通过剪力钉 收稿 日期 20 10 04 25 作者简介 耿 波 1979一 男 山尔省桓台县人 博士 副研究员 和摩擦作用来传力 斜拉索竖向分力则通过剪力钉 将力直接传至混凝土塔肢上 对于该种结构 钢混 结合面的受力特性 锚固区力 的传递与分配以及连 接构造等问题 都是设计人员关心的问题 钢混组合索塔锚固结构的现有计算分析中 通 常采用建立局部三维有限元分析模型来实现 混凝 土主塔采用 三维实体单元模拟 钢锚箱采用板壳单 元模拟 而剪力钉则采用梁单元模拟 计算方法也 从传统的弹性分析逐渐发展到非线性接触分析 即 钢锚箱和塔肢混凝土之间除考虑剪力钉传力外 还 要考虑非线性接触摩擦传力问题 51 同时对于组合 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2010 年 第 5 期 耿波 等 重庆 东水门长江大桥 索塔锚 固区非线性接触受力分析 37 梁 中剪力钉工作性能特别是其极 限承载力 目前也进 行 了一些研究 0 重庆东水 门长江大桥的索塔锚固区构造与上述 第 2 种锚 固形式较为接近 但该桥的索塔锚 固区结 构受力和变形与杭州湾跨海大桥又有所不同 其每 个锚 固节段主要通过将 2 个独立钢锚箱焊接在两端 的侧拉板上 侧拉板则通过剪力钉直接与混凝土塔 肢结合 由于该结构形式在国内首次使用 对该结 构形式的认识还不够 且缺乏实际经验 因此有必 要对其进行精细化的有限元分析 深入掌握索塔锚 固区的应力分布及传力分配等 这对指导设计与施 工具有很大价值 1工 程概 况 东水 门长江大桥位于重庆市渝中半岛的东水门 处 东起南岸 区涂山路 自东向西跨越长江 止于 渝 中 区陕西 路 贯通 连接 弹 子石 片 区和 解 放碑 CB D 该桥采用新型索辅梁桥结构体 系 跨径布置 为 222 5 m 445 m 190 5 m 858 m 主桥分为上 下 2 层 上层为公路交通 下层为轨道交通 其桥 型布置见图 l 858 主桥 98 引桥 l rL 一 单 位 m 图 1东水门大桥桥 型布置 该桥采用天梭形桥塔 塔在桥面处横向最宽为 35 0 m 塔顶横 向宽 7 0 m 采用箱 型结构 形式 桥塔结构形式见图 2 斜拉索采用稀索体系 全桥 共设置 9 对斜拉索 单根斜拉索的拉力较常规密索 体系的拉力要大 而索塔锚固区是将拉索的局部集 中力均匀地传递到塔柱 的重要受力部位 应 力集 中 传力和构造均比较复杂 本桥索塔锚 固区采用 类似于外置式钢锚箱的索塔锚固构造 由 2 个混凝 土塔肢和 1 个钢锚箱组成 钢锚箱通过两侧 的侧拉 板设置剪力钉与混凝土塔肢相连 工作时 斜拉索 首先将力传递到钢锚箱上 然后又通过侧拉板上的 剪力钉传递到混凝土塔肢上 每个混凝土塔肢为单 箱型混凝土塔柱 同时塔肢上还配置一定的顺桥 向 及横桥 向的预应力 半幅索塔锚固构造的三维图见 图 3 晷 2 单 位 em 图 2 桥塔结构布置 塔壁混凝土 图 3 索塔锚固区构造效果图 2 索塔锚固区结构设计及数值分析模型 2 1结构设计 东水 门长江大桥的塔柱为单箱单室变截面钢筋 混凝土结构 上塔柱为 2 个分离式塔柱 塔柱 高 46 0 m 其中拉索锚固区 39 0 m 大桥设置 9 对斜 拉索 在 主塔上 的间距 为 3 8 m 用钢梁作为斜拉 索锚固结构 索塔锚固区两侧的塔肢 内壁完全与钢 锚箱的侧拉板重合 增加了剪力钉的布置面积 同 时有助于增加剪力钉的布置数量 增强了钢与混凝 土 的连接和受力性能 为平衡斜拉索的水平分力 在上塔柱斜拉索锚 固区配置环向预应力 同时还可 以使钢锚箱与混凝土紧密连接 塔壁上布置 7 束预 8 誊n 0 0 昌 N 8H 8 8 1 H 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 38 公路交通技术 2010 血 单位 mm 图 4 预应力布置平 面 蔓 JJ 一 一 Q 一 卜 塔背预应力钢束 f 0 剪力栓钉 a o ff 喜 塔 背 预 应 力 钢 柬 0 n 一 隘向预应力钢束管道 一 l f 150 I L 1 I Il t5Q 1 g 一 2 00 一 200 J 单位 rflnl 图 5塔壁预应力布置 应力筋 每束预应力筋采用 12 股 15 2 m m 的高 强度低松 弛钢绞线 竖向间距为 45 cm 见 图 4 图 5 索塔锚固区的整体结构构造与外置式钢锚箱索 塔锚固区非常接近 但是该桥的索塔锚固区构造简 单 新颖 它一改外置式钢锚箱的封闭式结构 取 消了端板 将钢锚箱 直接焊接在平行 的侧拉板之 间 使拉索力全部 由钢锚箱的抗剪焊缝传递至侧拉 板上 从而使结构的传力变得简洁 又节省材料 钢锚箱各部分组成为 侧拉板厚 60 m m 承压板厚 80 m m 支承板厚 50 m m 加劲板厚 30 m m 2 2 传力机 理 东水门长江大桥索塔锚固区的索力通过锚固横 粱传递给钢锚箱侧拉板 再通过剪力钉将力传递给 混凝土索塔 索力的竖向分力完全由混凝土索塔承 担 水平分力可 以认为作用于钢混叠合板结构上 索塔两侧拉索的水平分力主要通过钢锚箱的侧拉板 承受 不平衡水平力则由侧拉板传至塔壁 由塔柱承 受 竖向分力通过侧拉板的剪力钉传递到塔柱混凝 土上 斜拉索的水平分力是引起混凝土开裂的主要原 因 现就剪力钉刚度趋于 2 个极端时 索塔锚固区 斜拉索水平力 的传递情况进行如下分析 1 当剪力钉刚度很强时 侧拉板与塔肢混凝 土之间没有 出现相对滑移 此时斜拉索的水平分力 主要 由侧拉板和附近的混凝土承担 远端混凝土不 直接参与受力 而混凝土的容许拉应力相对较小 所以其受力对混凝土不利 而竖向力由混凝土塔壁 承担 该情况下对结构受力有利 2 当剪力钉 的刚度较弱时 侧拉板会 与混凝 土之间发生少量滑移 在滑移过程中 斜拉索的水 平分力主要由侧拉板承担 混凝土仅承受较小部分 的水平力 此时 其受力反而对混凝土有利 而对 剪力钉受力和疲劳不利 2 3数值分析模型 东水门长江大桥的非线性接触模型采用大型有 限元软件 M i das 1TEA 建立 对索塔锚固区在拉索索 力作用下的受力情况及应力分布进行分析 在此情 况下建立的模型 主要考虑 以下几点 1 整个计算模型为非线性接触模型 需考虑 侧拉板与塔壁的摩擦效应 2 斜拉索索力 的水平分力 由 3 部分承受 一 部分由侧拉板承受 另一部分 由剪力钉传递到混凝 土塔壁上 还有一部分由侧拉板与混凝土之间的摩 擦力来承受 3 斜拉索索力的竖 向分力 由 2 部分承受 一 部分 由剪力钉传递至混凝土塔壁上 另一部分由侧 拉板与混凝土之间的摩擦力来承受 由于索塔锚 固区是完全对称 的 所以笔者仅 对横桥 向的一半进行建模 模型 中各部分构件 的 材料属性见表 1 有限元模型见 图 6 施加 的索力 图6索塔锚固区节段分析模型 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2010 年 第 5 期 耿波 等 重庆 东水 门长江大桥 索塔锚 固区非线 生 接触受力分析 39 表 1材料特性 按 1 600 t控制 侧拉板与塔壁混凝 土之间的摩擦 系数取 0 3 3 计算结果 3 1钢锚箱 计算得到的钢锚箱整体及各部分的应力分别见 图 7 10 钢锚箱各部分 的应力汇总见表 2 由图 7 10 和表 2 可 知 钢锚 箱 的最大 M ISES 应力 为 227 5 M Pa 主要位于钢锚箱承压板与侧拉板接触的边角 图 9 钢锚箱支 承板 M ISES 应力云图 薹 譬 l l 一 图 10 钢锚箱加劲板 M ISE S 应力云图 表 2 钢锚箱各部分应力汇总 处 钢锚箱各部分应力均满足强度检算要求 3 2侧 拉板 计算得 到 的侧拉 板应力见 图 11 由图可知 侧拉板的最大 M ISES 应力 为 83 5 M Pa 主要位 于 侧拉板与钢锚箱连接处 最大剪应力为 43 1 M Pa 最大主拉应力为 60 0 M Pa 最 大主压应 力为 95 5 M Pa 侧拉板应力满足强度检算要求 一 臻 0 嚣 毫 篓 图 11侧拉板 M ISE S 应力石 图 3 3 剪力钉 计算得 到的剪力钉应力分别 见图 l 2 图 13 由图可知 剪 力钉竖向最大应力为 124 8 M Pa 顺 桥 向最大应力为 246 5 M Pa 单根剪力钉最大剪力 105 kN 其位置均处于钢锚箱与侧拉板连接处 当 仅有预应力作用时 剪力钉竖 向最大应力 为 81 1 M Pa 顺桥 向最大应力为 128 3 M Pa 3 4 混 凝土 塔壁混凝土最大主拉应力为 4 3 M Pa 主要位 于钢锚箱 与侧拉板的连接处 见 图 14 最大主压 应 力 为 16 2 M Pa 顺 桥 向最 大正 压 应 力 为 14 6 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 公路交通技术 20 10 生 图 14塔壁混凝土主拉应力 云图 M Pa 横桥向最大正压应力为 10 1 M Pa 竖向最大 正压应力为 4 0 M Pa 3 5 传力分析 通过对以上分析结果汇总 可得到斜拉索索力 的顺桥 向分力 和竖 向分力在结构各部位的分配情 况 见表 3 表 4 表 3顺桥 向索力分配 由表 3 可知 斜拉索索力的顺桥 向水平分力主 要由剪力钉和摩擦力承担 且剪力钉和摩擦力所承 担的分力最终均传递给混凝土塔壁 其中 摩擦力 为 1 970 kN 占 28 5 剪 力 钉 为 5 053 kN 占 73 1 由于初始预应力施加后 侧拉板上承担 了 一 部分预加压力 直至挂索后该部分压力仍未完全 表 4竖向索力分配 被索力抵消 板 内仍存在 110 kN 的压力 由表 4 可知 斜拉索索力的竖向分力主要由剪 力钉和摩擦力共同承担 剪力钉和摩擦力承担的竖 向分 力最终全部由塔壁混凝土承担 其 中 摩擦力 为 2 621 kN 占 32 5 剪力钉为 5 453 kN 占 67 5 4 结 论 通过对重庆东水 门长江大桥索塔锚固区进行非 线性接触受力分析 得到以下结论 1 钢锚箱最大 M ISES 应力 为 227 5 M Pa 主 要位于钢锚箱承压板与侧拉板接触的边角处 钢锚 箱各部分应力均满足强度检算要求 2 侧拉板最大 M ISES 应力为 83 5 M Pa 主要 位于侧拉板与钢锚箱连接处 侧拉板应力满足强度 检算要求 3 剪力钉的竖向最大应力为 124 8 M Pa 顺 桥向最大应力为 246 5 M Pa 单根剪力钉最大剪力 为 105 kN 主要位于钢锚箱与侧拉板连接处 4 塔壁混凝土最大主拉应力为 4 3 M Pa 最 大 主压应力为 16 2 M Pa 最大主拉应力大于 1 83 M Pa f 为混凝土抗拉强度设计值 主要发生 在钢锚箱与侧拉板的连接处 建议加强局部抗裂设 计或采用纤维混凝土 5 斜拉索索力顺桥 向水平分力和竖向分力均 主要由剪力钉和摩擦力承担 且剪力钉和摩擦力所 承担的分力最终均传递给混凝土塔壁 其中 水平 分力方面 摩擦力 占 28 5 剪力钉 占 73 1 竖 向分力方面 摩擦力 占 32 5 剪力钉 占67 5 参 考 文 献 1 上海市政工程设计研究院 上海崇明越江通道长江大桥 工程设计 R 上海 上海市政工程设计研究院 2006 2 戴捷 张喜刚 吴国民 苏通大桥主桥索塔设计fc 中 国公路学会桥梁和结构工程分会 2004 年全国桥梁学术 会议论文集 北京 人民交通 出版社 2004 3 招商局重庆交通科研设计 院有限公司 福建厦漳跨海大 桥工程设计 RI 重庆 招商局重庆交通科研设计 院有限 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2010 年 第 5 期 耿波 等 重庆 东水 门长江大桥 索塔锚 固区非线性接 触受力分析 4l 公 司 2008 1JI 铁道学报 1999 21 1 68 72 中交公路规划设计院 杭州湾跨海 大桥 工程 设计 R I 北 8 Shi m C s Lee P G Y oon T Y Stati c behavi or of l arge 京 中交公路规划设计院 2003 51杨允表 吕忠达 大跨度斜拉桥索塔锚固区钢 一混凝土结 构竖向受力机理 的有 限元法 J1 程力学 2008 12 25 15 3 16 1 6 1 n D El l ohody E Behavi or of headed stu d shear connectors i n com posi te beam fJ1 Journ al of Structural E ngi neeri ng A SC E 2 00 5 13 1 1 96 7 叶梅新 张哗芝 桁梁结合梁及其剪力连接件试验研究 上接 第 3 5 负j 通过在挂篮下设置防护板搭设 天棚 留够桥下净 空 基本不影响成雅高速公路车辆通行 缺点 主桥造价较 方案 B 高约 287 万元 施 工周期较长 需 4 5 个月 3 方案 E 钢箱梁 优 点 主跨 50 i 1q 钢 箱一跨 跨越 成雅 高速公 路 钢箱采用工厂制造 现场 吊装 对成雅高速公 路影响时间短 吊装期 1 2 d 缺点 吊装期需要 中断交通 l 2 d 对成雅 高速公路影响较大 按照大件公路荷载标 准等级 预计钢箱梁重量约 250 t 梁高约 4 5 m 超长超 重 运输困难 需大型起吊设备 吊装 施 丁难度较 大 1 主桥工程造价高 后期维护费用高 6 2 2 上跨方案比选 上跨方案 中 方 案 c 造价最低 但 由于在成 雅高速公路中分带设置桥墩 桥墩在成雅高速公路 桥面以上部分施工对成雅 高速公路通 车有局部影 响 对成雅高速公路 中分带管线也有一定影响 建 议可在下阶段设计中进一步比选 方案 D 可 1 跨跨越成雅高速公路 悬臂挂篮 施工时 通过在挂篮下设置防护板 搭设天棚 留 够桥下净 空 可基本不影 响成雅 高速公路 车辆通 行 对成雅高速公路影响最小 故推荐采用 方案 E 的钢箱需大型钢厂制造 运输 吊装相 对均存在较大风险 且需 中断成雅高速公路交通 工程造价及后期维护费用均高 故不建议采用 上跨方案综合比