異形截面斜拉橋索塔錨固區(qū)節(jié)段受力性能研究

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1、摘要索塔拉索錨固區(qū)是斜拉橋中的關(guān)鍵部位，拉索的局部集中力將通過這一部位安全、均勻地傳遞到塔柱中。由于拉索的局部強大集中力、預(yù)應(yīng)力筋的錨固力以及孔洞削弱等因素影響使該區(qū)域受力狀態(tài)十分復(fù)雜。因此，斜拉橋索塔錨固區(qū)節(jié)段受力性能分析的探討一直以來受到橋梁界的矚目，索塔錨固區(qū)也是斜拉橋設(shè)計和施工的難點和關(guān)鍵。本文依托于哈爾濱繞城高速公路四方臺大橋，主要對該橋索塔受水平分力最大的塔頂部錨固區(qū)節(jié)段進行詳盡的理論分析和可靠的足尺模型試驗，并對索塔錨固區(qū)所選節(jié)段提出優(yōu)化設(shè)計方案。首先利用ANSYS軟件針對索塔錨固區(qū)所選節(jié)段進行了詳盡

2、的空間有限元分析，考察索塔錨固區(qū)的應(yīng)力分布和變形情況。該節(jié)段模型在荷載作用下產(chǎn)生較大的水平方向應(yīng)力，垂直方向應(yīng)力與水平方向應(yīng)力相比較小。有限元分析結(jié)果表明，在預(yù)加應(yīng)力階段，索塔節(jié)段各角部區(qū)域是預(yù)應(yīng)力鋼筋集中錨固的交匯處，應(yīng)力分布非常復(fù)雜，尤其是受橫向預(yù)應(yīng)力大噸位張拉的影響，在模型長邊內(nèi)側(cè)端部區(qū)域會出現(xiàn)較大的局部拉應(yīng)力，理論計算與實測都證明了這一點。對索塔錨固區(qū)進行了預(yù)應(yīng)力束施工工藝試驗。試驗條件與主塔的實際施工工藝完全相同，以認真實踐主塔的施工工藝，并為主塔的施工積累經(jīng)驗。通過試驗確定塑料波紋管的孔道摩阻系數(shù)，對預(yù)

3、應(yīng)力鋼束張拉伸長量進行分析，并對預(yù)應(yīng)力孔道真空輔助壓漿工藝進行探討。在小半徑大噸位情況下預(yù)應(yīng)力鋼筋對孔道的徑向力將增大，預(yù)應(yīng)力鋼筋與孔道問將不再是點接觸，呈現(xiàn)出嵌入孔道的趨勢，摩擦系數(shù)將有較大的增加，現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范尚未對此有明確的規(guī)定。因此，對許多小半徑大噸位情況下，k、／．t系數(shù)的選定應(yīng)當根據(jù)模型試驗的結(jié)果來分析確定。通過試驗得出塑料波紋管的孔道摩阻系數(shù)在O．12～O．15之間。影響預(yù)應(yīng)力鋼束伸長量的因素繁多，一般情況下，其實測伸長量與理論伸長量之間相差較大，通過本試驗考察各種因素對張拉伸長量的影響程度并探討能夠有

4、效減緩預(yù)應(yīng)力鋼束伸長量的張拉工藝。試驗結(jié)果表明，進行預(yù)張拉25％a。。。能夠有效減緩預(yù)應(yīng)力鋼束不均勻受力引起的伸長量。本試驗采用與實際拖工相同的真空輔助壓漿工藝，以指導(dǎo)實橋的施工操作，并確定了效果良好的壓漿配比。試驗結(jié)果表明，將真空輔助壓漿工藝用于預(yù)應(yīng)力管道的灌漿，具有很好的壓漿飽滿度和密實性效果，值得推廣應(yīng)用。進行索塔錨固區(qū)節(jié)段足尺模型試驗。索塔錨固區(qū)是斜拉橋中的關(guān)鍵部位，承受著巨大的水平分力，同時作用有其它形式的集中力，并伴有孔洞削弱等不利影響，使該區(qū)域受力狀態(tài)十分復(fù)雜。而四方臺松花江大橋索塔截面又為國內(nèi)首次采

5、用的單軸對稱類六邊形，其受力狀態(tài)將更加復(fù)雜，單純的理論分析無法全面反映索塔錨固區(qū)實際的應(yīng)力分布和變形情況。通過足尺模型試驗以及與有限元分析結(jié)果之間的比較發(fā)現(xiàn)：索塔在預(yù)加應(yīng)力階段及混凝土開裂前，其應(yīng)力實測值與計算機仿真分析結(jié)果基本吻合，說明處于復(fù)雜受力狀態(tài)的索塔錨固區(qū)，利用有限元技術(shù)進行模擬，也可得到較為滿意的結(jié)果；根據(jù)試驗結(jié)果，索塔的開裂荷載為14500kN，相應(yīng)的抗裂安全系數(shù)為2．07；由于橋塔沿橫橋向為非對稱結(jié)構(gòu)形式，莊J#l-兩側(cè)應(yīng)力分布很不均勻，內(nèi)側(cè)塔壁在試驗荷載作用下產(chǎn)生較大的環(huán)向拉應(yīng)力，裂縫發(fā)展較快。鑒

6、于此，建議將內(nèi)側(cè)塔壁的預(yù)應(yīng)力束予以加強。模型的順橋向兩側(cè)短邊角部及錨下應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯，建議在短邊內(nèi)角部加設(shè)環(huán)向鋼筋，并在索孔周圍用較密的螺旋箍筋加固。對預(yù)應(yīng)力鋼束曲布置方式進行優(yōu)化。索塔錨固區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼束的合理配置對提高該區(qū)域的受力性能具有很重要的意義。由于本索塔截面類型特殊，即順橋向塔壁較短，此處難以布置獨立的直線型預(yù)應(yīng)力鋼束，較合理的預(yù)應(yīng)力鋼束布置方案單一，因此對預(yù)應(yīng)力布束方式的優(yōu)化只進行每種鋼束中預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量的確定。在本文采用的布束方案中，經(jīng)過優(yōu)化分析得到NI～N4鋼束中的預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量為Nl=11，N2=8

7、，N產(chǎn)5，N4=6根時其受力性能最優(yōu)。在混凝土塔中布置鋼橫梁或鋼．混凝土組合橫梁可有效分擔拉索引起的水平拉力、垂直分力以及偏心彎矩。在較為簡單的對稱結(jié)構(gòu)中橫梁的作用和傳力路徑比較明確，而在復(fù)雜的非對稱結(jié)構(gòu)中，由于受力和傳力形式發(fā)生改變，有必要對其在主塔結(jié)構(gòu)中所起到的作用進行探討。通過有限元分析得出，索塔錨固區(qū)無橫梁時的應(yīng)力雖比有橫梁時略有提高，但無顯著差異，與足尺模型試驗結(jié)果中得出的橫梁只承擔總拉力7．7％的結(jié)論相吻合，考慮到受力和施工方便性等因素，建議將該橫梁改為主塔混凝土澆筑后裝配，并在實際施工中得到采納，對主

8、塔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和方便旖工起到了重要作用。關(guān)鍵詞斜拉橋；索塔錨固區(qū)；模型試驗；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計AbstractTheanchoragezoneofthepylonisakeypartforcable—stayedbridges，wherethelocalconcentratedforceofcablewiUbetransferredtothepylons