斜拉桥桥塔锚固区受力分析

陈自福

(安徽省交通投资集团)

0 引言

斜拉索在桥塔中的锚固多采用环向预应力、钢锚箱和钢锚梁几种锚固方法。其中已建和在建的斜拉桥中，普遍采用混凝土桥塔，桥塔为主要受力构件，桥塔上的拉索锚固部位是一个将拉索的局部集中力安全、均匀地传送到塔柱的重要受力构造，其受力状况是否合理是大桥建成后能否正常运营的关键。因此，拉索锚固位置也是施工过程中需要控制的关键工序。

环向预应力的拉索锚固形式斜拉索的水平力均需要桥塔混凝土壁板来承受，混凝土壁板的受力较钢锚箱、钢锚梁更为不利。钢锚箱主要依靠自身的侧面拉板承受水平力，混凝土壁板承受部分水平力;而钢锚梁则是独立的拉索锚固构建，拉索水平力全部依靠钢锚梁自身平衡不直接作用在混凝土塔壁上。本文分别以采用环向预应力、钢锚箱的两种混凝土斜拉桥桥塔拉索锚固区为研究对象，应用大型通用有限元程序ANSYS，对索塔锚固区进行了空间仿真分析，揭示其受力特点，为施工技术人员提供参考。

1 采用混凝土锚块的桥塔拉索锚固区受力分析

该类桥塔，为平衡拉索在索塔上塔柱的拉索锚固区段产生的拉应力，一般采用大吨位、小半径的环向预应力钢束布置。在斜拉索和环向预应力钢束的作用下，塔柱受力复杂且局部应力集中现象非常明显，因此应进行局部应力分析，揭示该区域的受力特征和应力分布规律对施工技术人员理解该类结构有着重大意义。

1.1 工程实例

某斜拉桥主桥桥型采用123 m+75 m的独塔双索面斜拉桥方案，塔、梁、墩固结，不设置辅助墩。主塔采用“八”形索塔，两个直立塔柱;主梁采用分离式箱形混凝土主梁;斜拉索采用空间扇形双索面;主塔基础、边墩基础均为钻孔桩基础;主要施工工艺为主塔爬模施工、主跨主梁采用悬臂浇筑施工、边跨主梁采用移动支架现浇施工。

1.2 有限元分析模型

(1)几何模拟。

由于塔顶部位斜拉索索力最大且倾角小，水平拉力大，因此选则桥塔上半段作为分析对象。利用通用有限元软件Ansys建立空间有限原模型，采用实体单元solid95进行网格划分。有限元模型高18.0 m，共计14.9万个单元，23.0万个节点。

(2)材料参数。

索塔混凝土均采用C55，计算过程中弹性模量取3.55×104MPa，波松比1/6，轴心抗压设计强度 24.4 MPa，轴心抗拉设计强度1.89 MPa。预应力钢绞线的弹性模量取1.95×105MPa，波松比 0.3;平行钢丝的弹性模量取 2.05×105MPa，波松比 0.3。

(3)预应力模拟。

主塔拉索锚固区节段受力复杂，且存在诸多不确定因素，如小半径环向预应力筋预应力损失难以准确计算。计算过程中结合工程实际，对上述不确定因素进行了符合实际工程计算精度所需的假定，力求在简单、适用、合理的前提下，对索塔锚固区的空间应力场的分布进行准确模拟。用link8单元模拟预应力钢筋，采用施加初应变的方法模拟预应力。对于预应力直束采用PES7-61的规格，考虑85%的有效预应力，施加初应变4.893×10-3;对于环向预应力钢绞线采用φ15～19的规格，考虑80%的有效预应力，施加初应变5.723 × 10-3。

(4)边界条件。

为了准确模拟斜拉桥索塔锚固区模型的边界条件，模拟下塔柱对计算节段的约束作用。将模型节段底面的所有节点的Z(竖向)方向进行约束，X(顺桥向)和Y(横桥向)均用弹簧单元模拟下塔柱对计算节段的约束。弹簧刚度通过在Midas Civil空间杆系程序中获得，横桥向刚度为2.726×10-6(N/mm)，顺桥向刚度为3.976×10-6(N/mm)。采用了1/2模型，在横桥向桥塔中线处施加了对称约束，通过对称约束的施加能够真实模拟索塔计算节段的受力特性。

1.3 荷载施加

索塔计算节段的混凝土的容重按照26 kN/m3计算，索塔顶面部分的混凝土重量按照均布力的形式施加，索塔计算节段顶面部分总重为984 672 N;拉索索力以集中力的形式施加到各个拉索锚点对应位置。

1.4 计算工况

分析过程中采用了三个工况：工况1：仅张拉索塔预应力钢束工况;工况2：成桥索力作用工况;工况3：活载作用下最不利工况。

1.5 计算结果

(1)工况1

从应力云图3可以看出除了预应力锚固点以及斜拉索锚下应力失真区域的主应力超过JTG D62-2004规定的短期荷载组合作用下的A类预应力混凝土构件主应力允许值范围-21.3～1.37 MPa之外，其他部位应力值基本满足规范要求。最大主拉应力值不超过1.5 MPa。同时可以看出，桥塔长边塔壁和短边塔壁内外侧横向正应力水平较低，最大拉应力力0.05 MPa，最小压应力小于1.0 MPa。

(2)工况2

从应力云图4可以看出短期荷载组合作用下桥塔混凝土主应力值基本在-21.3～1.37 MPa之间，满足规范要求。同时可以看出，桥塔长边塔壁和短边塔壁外侧绝大部分区域的横向正应力计算值在JTG D62-2004规定的短期荷载组合作用下的A类预应力混凝土构件允许值范围-17.75～1.918 MPa之内，满足规范要求。

(3)工况3

从桥塔塔壁长边和短边内外侧主应力云图5、6可以看出桥塔长边塔壁和短边塔壁内外侧绝大部分区域的主拉应力和主压应力计算值满足JTG D62-2004要求。局部角隅处正应力偏大，主要是由于模拟锚下应力失真引起，不影响结构正常使用性能。同时可以看出，桥塔长边塔壁和短边塔壁内外侧绝大部分区域的横向正应力计算值满足JTG D62-2004要求。局部角隅处正应力偏大，主要是由于模拟锚下应力失真引起，不影响结构正常使用性能。

图1 工况1塔壁内侧主应力云图

图2 工况1塔壁外侧主应力云图

图3 工况2塔壁内侧主应力云图

图4 工况3塔壁外侧主应力云图

2 采用钢锚箱的桥塔拉索锚固区受力分析

该类桥塔，钢锚箱主要由侧面拉板、端部承压板、腹板、锚板、锚垫板、横隔板、连接板、加劲肋等部分组成。其受力特点是：两侧斜拉索的水平分力大部分由锚箱的侧面拉板承受，塔柱也承受部分水平分力;斜拉索竖向分力主要通过锚箱端部的剪力钉传递到塔柱混凝土上。

2.1 工程实例

某钢箱梁斜拉桥，主塔采用倒Y形，包括上塔柱、中塔柱、下塔柱和下横梁。塔柱采用空心箱形断面，索塔锚索区最终采用钢锚箱锚固。斜拉索索力通过锚垫板和锚箱腹板传至拉板，大部份水平力由拉板承受;锚箱节段最小高度2 300 mm，主拉板厚度40 mm，高1 300 mm，为方便施工，在拉板上设置高1 000 mm的孔洞;在两块拉板之间设置横隔板，其主要作用是对拉板产生加劲，兼做斜拉索施工时的平台，横隔板为厚度10 mm带肋钢板，上面开有人孔。钢锚箱与索塔之间依靠剪力钉连接并承担斜拉索的竖向分力，剪力钉采用直径22 mm的圆头焊钉，长200 mm，间距通过计算确定。锚箱节段之间工地连接采用焊接连接。

2.2 有限元分析模型

(1)几何模拟。

为准确计算锚索区的应力分布情况，模型取塔顶断面尺寸小，索力最大的五个连续节段加上A34斜拉索节段以上的一个2.3 m高节段，共六个节段进行计算模拟。六个节段的模型尺寸、钢套筒位置、斜拉索倾角均按取自塔顶最大索力节段。由于结构对称，荷载对称，为减少模型节点数量，节省计算时间，结构可取1/4来计算。计算模型见图5。

图5 钢锚箱索塔锚索区1/4模型

(2)材料参数。

索塔混凝土均采用C50，计算过程中弹性模量取3.50×104MPa，波松比1/6，轴心抗压设计强度 22.4 MPa，轴心抗拉设计强度1.83 MPa。钢板的弹性模量取2.06×105MPa，波松比0.3。混凝土采用三维实体单元solid65;80 mm厚的钢垫板采用三维实体元solid45;其它钢锚箱钢板均采用三维板壳元shell93。

图6 锚索区混凝土结构特征点分布图

(3)边界条件。

底层节点竖向Z方向位移被约束，底面侧向的抗推刚度计算同1.2.4。顺桥向中心断面上的节点顺桥向X方向采用对称约束，横桥向中心断面节点Y方向也采用对称约束。

2.3 荷载施加

在模型的钢垫板的面上施加均布力，沿从上至下竖向分别施加J34～J30索力。索力施加值见下表1。

表1 钢垫板索力施加表

2.4 计算工况

采用钢锚箱的索塔拉索锚固区分析过程侧重点与采用环向预应力的索塔锚固区略有不同。本次分析过程中采用五个工况，分别如下。

工况1：混凝土收缩(降温15℃);

工况2：成桥索力施加;

工况3：最大极值索力施加;

组合一：工况1+工况2;

组合二：工况1+工况3。

2.5 计算结果

(1)锚索区钢筋混凝土结构应力。

计算给出锚索区共六个节段控制断面上特征点处的应力，混凝土结构上的特征点分布见图6，图6的座标系与图7中的座标系相同。计算结果描述如下。

工况1仅在收缩完成后，顺桥向控制断面外侧1～13节点压应力为-0.7～-0.8 MPa左右;内侧21～33节点拉应力为1.5～1.7 MPa左右。工况2仅在成桥索力作用下，顺桥向控制断面外侧1～13节点压应力集中在-2.0 MPa左右，极值为-2.49 MPa;内侧21～33节点拉应力集中在3.0 MPa左右，极值为3.73 MPa。工况3仅在最大索力作用下，顺桥向控制断面外侧1～13节点压应力集中在-2.5 MPa左右，极值为-3.02 MPa;内侧21～33节点拉应力集中在4.0 MPa左右，极值为4.61 MPa。在组合1作用下，顺桥向控制断面外侧1～13节点压应力集中在-2.7 MPa左右，极值为-3.29 MPa;内侧21～33节点拉应力集中在5.0 MPa左右，极值为5.52 MPa。在组合2作用下，顺桥向控制断面外侧1～13节点压应力集中在-3.5 MPa左右，极值为-3.82 MPa;内侧21～33节点拉应力集中在5.5 MPa左右，极值为6.36 MPa。由于横桥向控制断面内侧61～73节点受锚箱顶底30 mm厚钢板的影响，横桥向应力分布极不均匀。工况1仅在收缩完成后，横桥向控制断面外侧41～53节点拉应力为0.9 MPa左右;内侧61～73节点拉应力为2.0 MPa左右。工况2仅在成桥索力作用下，横桥向控制断面外侧41～53节点拉应力集中在5.0 MPa左右，极值为5.64 MPa;内侧61～73节点压应力在-0.8 MPa左右。工况3仅在最大索力作用下，横桥向控制断面外侧41～53节点拉应力集中在6.0 MPa左右，极值为6.9 MPa;内侧61～73节点压应力在-0.9 MPa左右。在组合1作用下，横桥向控制断面外侧41～53节点拉应力集中在6.0 MPa左右，极值为6.73 MPa;内侧61～73节点拉应力在1.2 MPa左右。在组合2作用下，横桥向控制断面外侧41～53节点拉应力集中在7.0 MPa左右，极值为7.99 MPa;内侧61～73节点拉应力在1.3 MPa左右。

(2)锚索区钢锚箱应力。

钢锚箱拉板N1和横隔板计算给出锚索区共五个节段控制断面上特征点处的应力，N1钢板和横隔板上的特征点分布见图7。各种荷载作用下N1钢板和横隔板顺桥向正应力见表2。

表2 N1钢板和横隔板特征点顺桥向正应力表MPa

从计算结果来看，不考虑收缩徐变，工况2成桥索力作用下，N1拉板最大拉应力87.8 MPa;考虑收缩徐变，工况2成桥索力作用下，N1拉板最大拉应力70.0 MPa。不考虑收缩徐变，工况3最大索力作用下，N1拉板最大拉应力107.7 MPa;考虑收缩徐变，工况2成桥索力作用下，N1拉板最大拉应力90.0 MPa。

图7 N1钢板上的特征点分布

图8 工况2作用下钢锚箱von Mises应力

钢锚箱其他钢板在工况2、工况3作用下顺桥向正应力图、横桥向正应力和von Mises应力图限于篇幅不一一列出。从图10中可以看出，除N8钢板与N1钢板连接的上下角处、横隔板板与N1钢板连接的边角处出现较大应力集中现象外，其他钢板应力水平均不高。

3 结语

(1)斜拉桥索塔拉索锚固区受力分析时要根据索采用的锚固形式如环向预应力、钢锚箱和钢锚梁有针对性的进行精细化模拟和选择分析工况，才能准确掌握它的受力特性。对于环向预应力的锚固形式，模拟的重点是环向预应力;对于钢锚箱或者钢锚梁模拟的重点则是钢锚箱或者钢锚梁。

(2)通过分析可以看出在混凝土桥塔塔壁内侧角隅位置容易出现应力集中，塔壁施工过程中要控制好角隅位置钢筋间距、定位，加强角隅位置的混凝土振捣，确保角隅位置施工质量，不留安全隐患。

(3)通过分析可以看出钢锚箱的拉板位置应力集中程度严重，施工过程中需要注意对钢锚箱拉板位置的保护，不要产生意外碰撞或划伤，给结构造成先天损伤。

(4)斜拉索锚固区应力分析过程中在计算速度能够保证的前提下适宜多取几个塔柱节段进行分析，重点查看中间区段的应力可以有效避免边界条件引起的模拟失真，保证结算结果的可靠性。

(5)索塔节段应力分析过程中为了准确模拟边界条件，可以通过弹簧模拟下塔柱对计算节段的约束作用，弹簧的刚度由下塔柱的抗推刚度模拟。同时为了节约计算时间，可以采用1/2模型或者1/4模型，在对称面上施加对称约束即可。

(6)通过计算分析采用环向预应力和钢锚箱都可以使桥塔处在良好的受力状态，应该根据桥梁跨径、结构受力和施工难易程度在环向预应力、钢锚箱和钢锚梁之间选择合理的桥塔拉索锚固形式。

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