梅溪河大橋箱形主塔索塔錨固區(qū)應(yīng)力分析

梅溪河大橋箱形主塔索塔錨固區(qū)應(yīng)力分析

在已完工的傾斜橋上，大多數(shù)橋塔都采用混凝土橋塔。主塔的拉索加固部分是將拉索局部收集力均勻地分配給塔柱的重要壓力結(jié)構(gòu)。其壓力狀況是設(shè)計和施工中的一個重要問題。為了平衡斜拉索的強(qiáng)大集中力作用,目前塔柱多采用大噸位、小半徑的環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束布置。在斜拉索和環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束的作用下,塔柱受力復(fù)雜且局部應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯,必須進(jìn)行專門的有限元仿真分析,以揭示該區(qū)域的受力特征和應(yīng)力分布規(guī)律。本文以重慶梅溪河大橋為背景,應(yīng)用大型通用有限元程序Ansys對其索塔錨固區(qū)進(jìn)行了空間仿真分析,為設(shè)計和施工提供參考。1預(yù)應(yīng)力混凝土橋塔梅溪河大橋主橋為(190+386+190)m雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋,錨跨與主跨跨徑比為0.4922。為了增加斜拉橋的整體剛度,兩邊跨各設(shè)一個輔助墩,將190m的邊跨分成(43+147)m兩跨。結(jié)構(gòu)為半漂浮體系。在索塔處設(shè)置橫向限位支座,以及縱向油壓阻尼器,防止發(fā)生過大的水平位移。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土雙主肋斷面,全寬27.5m,主梁中心高2.6m,橋面板設(shè)2.0%的雙向橫坡。主塔采用C50混凝土橋塔,H形結(jié)構(gòu),塔高為193m,索塔上塔柱高78.5m,中塔柱高42m,下塔柱高72.5m。每個塔上有31對拉索,全橋共有124對拉索。拉索錨固塔區(qū)塔柱的截面為750×450cm,壁厚縱橋向為120cm,橫橋向為80cm。環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束為12ΦS15.2mm,預(yù)應(yīng)力孔道采用塑料波紋管制孔,張拉控制應(yīng)力1395MPa,兩端張拉。2空間分析模塊2.1材料本構(gòu)模型由于塔頂部斜拉索的索力最大且傾角最小,水平拉力最大,因此取塔的最上四段作為研究對象?，F(xiàn)以通用有限元分析軟件Ansys為計算平臺,混凝土采用八節(jié)點(diǎn)三維混凝土實體單元Solid65,混凝土彈性模量取34500MPa,容重取26kN/m3,泊松比為0.2。環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束采用空間桿單元Link8模擬。將整個結(jié)構(gòu)視為均質(zhì)彈性體,材料本構(gòu)關(guān)系為線彈性,未考慮普通鋼筋和鋼骨架的影響。模型考慮了拉索的錨固齒塊和孔道削弱以及兼顧環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束的位置,網(wǎng)格劃分采用四面體自由劃分,以便對索孔附近進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。節(jié)段共劃分了36115個Solid65單元,504個Link8單元,模型如圖1、圖2所示。整體坐標(biāo)系X為橫橋向、Y為順橋向、Z為豎向。2.2計算參數(shù)(1)斜拉索力計算本文對主梁邊跨A31～A28四個索距區(qū)段進(jìn)行空間應(yīng)力分析。為安全考慮,斜拉索力按最不利組合值取用,對應(yīng)的索力如表1所示。模型模擬了實際的斜拉索錨固區(qū)形狀,索力作為均布面力加在鋼墊板下區(qū)域(方形鋼板面積減去孔道面積),作用方向垂直于齒塊錨固面并與拉索的方向一致。(2)建立預(yù)應(yīng)力鋼束桿由于模型的建立兼顧了環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束的位置,使得預(yù)應(yīng)力鋼束的位置有節(jié)點(diǎn)存在,通過這些節(jié)點(diǎn)建立預(yù)應(yīng)力鋼束桿單元,預(yù)應(yīng)力施加采用降溫方法。按照《橋規(guī)》計算各項預(yù)應(yīng)力損失,環(huán)向預(yù)應(yīng)力損失大約35%,即永存預(yù)應(yīng)力為906.75MPa。(3)段底固接處理在底面上的邊界條件按高度方向位移為零考慮,節(jié)段底按固接處理,順橋向施加對稱約束。由于本節(jié)段橋塔頂面主要承受上部塔的壓力作用,因此在頂面將上部傳下來的壓力作為均布荷載加在節(jié)段模型上。2.3主塔背索錨固區(qū)節(jié)段空間應(yīng)力場模擬主塔背索錨固區(qū)節(jié)段因受力復(fù)雜,且存在諸多不確定因素,如小半徑環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋預(yù)應(yīng)力損失難以準(zhǔn)確計算。本報告結(jié)合工程實際,對上述不定因素進(jìn)行了符合工程計算精度所需的假定,力求在簡單、適用、合理的前提下對主塔背索錨固區(qū)節(jié)段空間應(yīng)力場的分布進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬。為了明確環(huán)向預(yù)應(yīng)力的作用效果,本次計算采用了如下兩種計算工況。工況一:張拉環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束。工況二:索力和環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束共同作用。3錨固區(qū)應(yīng)力分析結(jié)果為了降低邊界條件及荷載等對整體計算結(jié)果的影響,根據(jù)圣維南原理僅列出A30拉索對應(yīng)索塔位置的計算結(jié)果,以此為依據(jù)對索塔錨固區(qū)進(jìn)行應(yīng)力分析。結(jié)果如圖3～圖6所示。圖中應(yīng)力單位均為帕(Pa)(在Ansys中規(guī)定,拉應(yīng)力為正,壓應(yīng)力為負(fù))。3.1標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的拉環(huán)坍塌3.1.1塔橫截面上拉壓應(yīng)力由圖3可知,在環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束作用下,索塔橫橋向正應(yīng)力σx沿橫橋向在塔橫截面上拉壓應(yīng)力間隔出現(xiàn),橫橋向塔柱中間承受較大的壓應(yīng)力,橫橋向塔柱邊緣承受較大的拉應(yīng)力。環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束張拉位置處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。3.1.2索塔順橋與塔柱外側(cè)應(yīng)力由圖4可知,在環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束作用下,索塔順橋向正應(yīng)力σy順橋向塔柱外側(cè)承受較大的拉應(yīng)力,中間承受較大的壓應(yīng)力。環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束張拉位置處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。3.22號線的壓力和環(huán)形扭轉(zhuǎn)預(yù)測鋼梁的共同作用3.2.1塔橫截面上拉壓應(yīng)力由圖5可知,在索力和環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束共同作用下,索塔橫橋向正應(yīng)力σx沿橫橋向在塔橫截面上拉壓應(yīng)力間隔出現(xiàn),由于拉索索力的原因,橫橋向塔柱中間內(nèi)外側(cè)應(yīng)力相差較大,外側(cè)承受較大的拉應(yīng)力,內(nèi)側(cè)承受較大的壓應(yīng)力。拉索張拉位置處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。3.2.2塔順橋與塔柱之間內(nèi)外側(cè)應(yīng)力分布由圖6可知,在索力和環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束共同作用下,索塔順橋向正應(yīng)力σY,由于拉索索力的原因,順橋向塔柱中間內(nèi)外側(cè)應(yīng)力相差較大,外側(cè)承受較大的拉應(yīng)力,內(nèi)側(cè)承受較大的壓應(yīng)力。拉索張拉位置處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。3.3工況作用下的應(yīng)力工況一和工況二作用下特征點(diǎn)處的應(yīng)力如表2所示。由表3可知,順橋向塔柱壁在工況一作用下應(yīng)力較均勻,在工況二作用下由于拉索的作用內(nèi)外側(cè)應(yīng)力相差較大。特征點(diǎn)處塔柱最大壓應(yīng)力為8.31MPa,最大拉應(yīng)力為0.27MPa,均小于C50混凝土容許應(yīng)力,索塔錨固區(qū)應(yīng)力完全滿足受力要求。4預(yù)應(yīng)力鋼束布置(1)斜拉橋預(yù)應(yīng)力箱形索塔錨固區(qū)的受力狀態(tài)是十分復(fù)雜的,必須通過精確的空間有限元分析,特別是對索孔、預(yù)應(yīng)力效應(yīng)等須做細(xì)致的模擬,方能準(zhǔn)確掌握它的受力特性。(2)在環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束作用下,順橋向索塔前壁的外側(cè)是縱橋向拉應(yīng)力出現(xiàn)的部位,橫橋向索塔側(cè)壁的外側(cè)是橫橋向拉應(yīng)力出現(xiàn)的部位。在預(yù)應(yīng)力鋼束布置時,應(yīng)充分考慮外側(cè)的壓力儲備,同時也應(yīng)考慮預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的局部拉應(yīng)力增大,改善應(yīng)力集中現(xiàn)象。(3)在施加了斜拉索作用后,橫橋向索塔塔側(cè)壁承受順橋向壓應(yīng)力,可見環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束對塔受力的改善。但是塔的前壁外側(cè),特別是拉索的外側(cè)出口仍承受順橋向拉應(yīng)力,考慮到索孔的削弱