独塔斜拉桥拉索锚固区混凝土设计与应力计算.pdf

1 4 6 桥梁结构 城 市道桥与 防洪 2 0 1 4 年 7 月第 7 期 独塔斜拉桥拉索锚固区混凝土设计与应力计算 谢 宝健 ( 天津 市市政设 计研究 院深圳分 院 ，广东 深圳5 1 8 0 0 0 ) 摘要： 该文采用A N S Y S 大型三维有限元软件对东平东江大桥独塔斜拉索锚固区混凝土进行应力分析。建立全塔仿真模型， 在 模 型中模拟环 向预应力 系统 ， 并考 虑预应 力损失 ， 通 过计算得 出拉索 锚固 区应 力分布情 况。 结 果表 明该 计算方 法较 为准 确 ， 环 向 预应力设计较 为合理 。 关键 词 ： 独 塔斜拉桥 ； 拉索锚 固区 ； 应力分 析 中图分类号 ：U 4 4 1 5 文献标识码 ：B 文章编 号 ：1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 4) 0 7 0 1 4 6 0 3 0 前 言 独塔斜拉桥 因为结构优美 、大气 简洁 ，适用 跨径灵活而受到广泛采用。独塔斜拉桥的主塔通 过拉索 的传递承担主梁的恒载和活载。主塔的承 载能力 、使用性能及耐久性事关整座 桥梁 的安全 及服务性能 ，因此 ，主塔 的设计具有 十分重要 的 地位。拉索锚固区又是将索力牢靠 、均匀地传递 到主塔塔身的重要受力构件，拉索锚固区的设计 是整个 主塔设计 的关键点。主塔的斜拉索锚 固区 混凝土受到恒载 、拉索索力 、环 向预应力等等多 种荷载 的综合作用 ，受力非常复杂。本文基 于东 平东江大桥实际工程案例，采用大型有限元软件 A N S Y S 对主塔建立整体模型，对主塔拉索锚固区 混凝土进行应力分析 。 1 工程概 况 东平东江 大桥 总体位 于$ 2 5 5 ( 东 江大 桥 ) 和 X 1 9 5 ( 石洲大桥) 之间，呈南北走向，桥长约l 8 1 6 m ， 其中主桥为21 4 8 m 独塔斜拉桥。该桥双孔单向 通航 ，采用独塔布置 ，这样可减少主桥长度 ，采 用塔 、梁 固结 的预应力 混凝 土 独塔 单 索 面斜拉 桥 ，主梁采用 流线形单箱五室断面 。桥梁 宽度 为 3 4 1 m；该桥拉索为单索面 、辐射 形布置 ，梁上 索距6 m，塔上索距 1 8 m。拉索采用技术较 为成 熟的低应力双层H D P E 防护平行热镀锌钢丝拉索， 为抗拉强度 1 6 7 0 MP a 的 7 mm高强平 行钢丝组 成 ，规格为P E S ( C ) 7 一 l 3 9一P E S ( C ) 7 2 6 5 。 桥面以上塔柱高7 5 5 In ，塔柱采用矩形空心 断面 ，断面尺寸为3 6 0 c m( 横桥向) 7 0 0 c m( J l , 桥 向) ；桥面 以上 1 5 m，顺桥向宽度 由7 m变化 lJ 8 m。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 4 0 2 作者 简介 ： 谢 宝健 ( 1 9 8 2 一) ， 男 ， 江 西赣 州人 ， 硕 士 。 工程 师 从事桥 梁工程设计 与咨询 lT作 。 塔冠横 桥 向成 “ V ” 型 ，并考 虑挖空 ，形成艺 术造 型。塔上斜拉索直接锚固于内塔壁凸出的锯齿状 混凝土块上 ，凸出的锯齿锚 固要 比内凹的锯齿锚 块做法更安全可靠 ，拉索锚固区部分采用二次张 拉预应力 钢绞线 。 2 计算荷载及环 向预应力系统 2 _ 1 计算模型中考虑的荷载 ( 1 ) 恒载 ： 混 凝土 主塔采 用C 6 0 混凝 土 ，混 凝 土容重 取 为2 6 k N m 。 ( 2 ) 斜拉索索力 ： 斜拉索索力采用M I D A S 2 0 1 2 程序建立全桥整 体模型进行静力计算分析 ，主梁 、主塔 、墩身 、 桩基采用梁单元模拟，拉索采用只受拉索单元模 拟，采用E r n s t 公式修正拉索弹模 ，从而考虑拉索 垂度的影响 。 取使用阶段最不利荷载组合下索力工况，塔 顶从上至下依次为：L 2 1 ( R 2 1 ) 为6 3 6 4 k N ； L 2 0 ( R 2 0 ) 为 6 1 3 8 k N； L 1 9( R1 9) 为5 8 7 8 k N； L 1 8 ( R1 8) 为 5 7 0 3 k N； L 1 7 ( R 1 7) 为 5 3 8 1 k N； L 1 6( R1 6) 为 5 2 2 1 k N 。成桥索力为L 2 1 ( R 2 1 ) 索力为5 6 0 0 k N； L 2 0 ( R 2 0 ) 索力为5 4 7 9 k N ； L 1 9 ( R I 9 ) 为5 3 4 7 k N； L 1 8 ( R1 8 ) 为 5 2 2 4 k N； L 1 7 ( R1 7) 为4 9 4 0 k N； L 1 6 ( R 1 6 ) 为4 8 4 1 k N( 其他略) 。实际施加时 ，相应 换算为锚固块索孔周围的节点力 ，其作用方向与 相应索孔的倾角一致。 ( 3 ) 温度作用 ： 体系升温2 0 (2 ，降温2 5 c I= ；主塔左右侧面温 差按 公路斜拉桥设计细 ( J T G T D 6 5 0 1 2 0 0 7 ) 第5 2 5 条第3 款考虑 5 c c 。 ( 4 ) 风荷 载 ： 基本风速取3 1 3 m s ，风荷载大小按 公路桥 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4 年 7 月第 7 期 城 市道桥与 防洪 桥梁结构1 4 7 梁抗风设计规范 ( J T G T D 6 0 0 1 2 0 0 4 ) 采用 。 2 2环 向预应 力系统 斜拉索锚 固在混凝 土塔壁上 ，在索塔锚 固区 内 ，斜拉索强大的水平力将在索塔侧壁 内产 生很 大 的拉应 力 ，并 在锚 固面上 产 生较 大 的弯 曲应 力，并且索塔锚 固区构造复杂 、受力集 中 ，应力 分布十分复杂 。为确保锚 同区混凝土具有 足够的 承载能力和抗裂安全性 ，必须在锚 固区设 置预应 力以平衡 混凝土的拉应力 。该项T程主塔拉 索锚 固区设置环向预应力系统，采用2 根环向束 ，全 长 1 0 7 8 9 n l ， 1 8 6 0 M P a ， 张 拉 控 制 应 力 为 0 7 5 = l 3 9 5 MP a ，管 道摩 阻 u = 0 2 5 ，管道 偏差 系数 k = 0 0 0 1 5 ；环 向束采用两端 张拉 ；采用 2 根 直线 束 ；单端张拉 ，采用二次张拉工艺 ，一端 钢 筋 回缩 和接缝压缩。尾索节段所设置 的环 向束 为 7 K 1 9 1 5 2 ，直线束 为6 根 5 1 5 2 ，钢束布 置见 图 1 所 示 7 5 A 犬样 6 8 0 3 避盘监 图1预应 力钢束 平面布置 图 ( 单 位 ： c m】 预应 力 荷 载取 考 虑 预应 力 损 失 的有 效 预应 力。在有 效预应力的计 算 中主要考虑 了摩 阻损 失 、锚具 变形压缩引起的预应力损失 、钢筋松 弛引起的预应力损失 、混凝土收缩 、徐变引起 的预应力损失 。 ( 1 ) 索 中点处 预应 力损失 最大 ，管道 摩擦 引 起 的预应力损失 ： l = 1 一 e h = 4 5 7 ( M P a ) ( 2 ) 锚 具变形 、钢筋 回缩 和接缝 压缩 引起 的 预应 力损失 ： = 半 1 9 5 E 5 = 2 1 7 ( M P a ) ( 3 ) 钢筋松弛引起的预应力损失 ： = ( 0 5 2 一 0 2 6 ) = 2 1 7 ( M P a ) 0 ， 取0 、 Jp k ( 4) 混凝 土收缩 、徐变引起的预应力损失 ： ( r f6 = 0 9 ( t t 0 ) + ( 7 _p c 咖( t ， t o ) = 7 9 ( MP a ) 综 上 ， 永 存 预 应 力 r ， = l 3 9 5 4 5 7 0 7 9 = 8 5 9 ( MP a ) 。 2 3 计算荷载工况 计算 采用最 不利荷 载工况 为 ：恒载 (自重 ) + 运营阶段 索力+ 温度荷 载+ 预应力。 3 环 向预应力有限元计算模型 本文将桥面以上塔柱建立三维仿真模型( 见 图2) ，采用AN S Y S 9 0 进行 主塔 锚 固区有 限元计 算 ， 模 型高4 9 5 m。先利 用A u t o c a d 建立塔 柱 的三 维模 型 ， 把c a d 三维模 型导 入 到A N S Y S ， 再 采用退 化的四面体单元S o l id 4 5 进行网格划分。s o l i d 4 5 单 元用 于构造 三维实体 结构 ，该 单元通 过8 个节点 来定 义， 每个 节点有 3 个沿着 x y z方 向平 移 的 自由 度 单元 具有塑性 ，蠕变 ，膨胀， 应 力强化， 大变形 和大应变能 力。 图2 三 维 仿 真 模 型 预应 力钢 束采 用L i n k 8 单 元 。L i n k 8 单 元是有 着广 泛 的T程 应用 的杆单元 ，常用来模 拟缆索 、 连 杆 、钢束 等 。这 种三 维杆 单元 是 杆轴 方 向的 拉压单元 ，每个节点具有三个 自由度 ：沿节点坐 标 系x、Y、z 方 向的平动 ，该单 元不 承受弯矩 ， 具有塑性 、蠕变 、膨胀 、应力钢化 、大 变形 、大 J - 引 f 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 8 桥梁结构 城 市道桥与 防洪 2 0 1 4 年 7 月第 7 期 应变等功能。钢束与混凝土单元采用约束方程耦 合。预应力采用降温法，索力以均布荷载施加在 锚 块 上 。模 型 边 界条 件 为 塔 底 节 点 全 部 固结 。 模 型共4 6 8 6 1 0 个单元 ，1 3 4 9 4 0 个节点 。 4 主塔拉索锚 固区混凝土应力计算 ( 1 ) 计算 荷载丁况 作用下 ，半模 型混 凝土立 面正应 力O x ( 顺桥 向 ) 分布 ( 见 图3 ) 。 rSX= 一 O 1 78 2 4 4 S EP 2 0 2 01 I t ,S 、 X = 1 6 2 8 1 0： 2 4： 3 sX = -1 7 4 9 -SX= -I 8 6 I t ,SX= 一1 91 2 SX= -I 9 L S X= -I 9 0 3 k S X= 一1 8 9 5 t S X= 一 2 0 0 4 S X= - 2 1 0 5 S X一 2 1 8 8 S X一 2 2 5 S X： 一 2 51 8 _ SX一1 5 8 3 S X一 1 3 63 _ S X= 一1 4 07 DAK S I KYT UI B S X=一i 9 7 7一l l 卜 _ S X= 一1 7 7 4 EP =1 S X=一 2 5 7 5- - - I l= l ； xX ：= _ 3 _- 2 8160 68 _ - ME=I S X：一 2 8 8 9。 ( ( AVG) S X=一 2 3 4 4叫 Y S =O ； xX =： _ l - 199 46 91 一 M X =9 3 2 9 SX一 = -2_ d N=一 1 1 3 7 4 S X= 一 2 I 】 3_ X：3 2 1 4 9 SX= 一 2 2 7 2_ S X= 一 2 3 5 9一 S X = - 2 41 9 S X 2 4 0 2 S X=一 2 2 4 9一 S X= - 2 2 41 S X= 一 2 31 8 S X= - 2 41 8 ： S X= 一 2 4 6 3 SX= - 2 3 3 2 S X l 4 58 SX =一 21 ) 4。 S X= 一1 91 卜 S X= 一1 3 6 9 S X=- 0 3 6 0 4 9 7 q _ S X = -0 9 03 7 0 4 _ _ 僻 避 蛩 - S X= 一 o 6I 7 6 7 2 图3 全 节段应 力云图 ( 单位 ： MP a。 正 为拉 应 力。 负为压应 力 ) 从半模 型混 凝土立 面 图可 知 ，正应 力 分 布范围为一 0 3 6 M P a一 3 1 MP a ，整体 比较 均匀 ， 主要分布在一 1 4一 2 5 MP a 之 间。横桥 向正应 力 较小 ，基本 为0 MP a 。半 模型混凝 土立面 主应 力s 1 为 压应力 ，大部 分 区域 小 于0 1 MP a 。正 应 力 分布范 围在0 0 6 MP a1 3 2 6 MP a 之 间 ，从 上往下逐渐递增 ，尾索锚固区域局部有应力集中 现象 。限 于篇 幅 ，本文未示 正应力 、O z 、主应 力S 1 应 力图。 ( 2) 计算 荷载 T况作用 下第 2 l 号尾 索索孔 处 截面混凝土正应力 分布 ( 见 图4 ) 。 N( ) DA L S OLU T1 0N S TE P ：l S UB=l TI ME= 1 S X ( A V G ) RS YS = O DMX= 9 3 2 9 S MN： 一l 1 3 7 4 S MX： 3 2 4 9 图4 第2 1 号尾 索 索孔 处截 面应 力 云图 单 位 ： MP a) 从 图4 可知，索力最大的第2 1 号尾索索孑 L 处 截 面基本全截面受 压 ，拉索索孔 至主塔 内壁之 间 所受压应力较大 ，最大为一 1 1 3 7 MP a ，满足规范 ： 0 7 = 0 73 8 5 = 2 6 9 5 ( M P a ) 要 求 。 正 应 力 及 主应力s 1 情 况类 似 ，均满足规范要求 ，本文不再 赘述。 ( 3 ) 尾索锚 固点 以上 区域应 力分析( 见图5 ) N0DAL SO LUT I ON S TE P=l SUB =l Tl ME=l S X ( A V G) R SY S= 0 D MX= 9 3 2 9 SMN= 一2 0 1 l SMX_ 4 6 3 6 图5 尾索 锚 固点 以上 区域 正应 力o 分 布 云图 ( 单 位 ： MPa) 由图5 可知 ，尾索 锚 固点 以上附近 区域 出现 了4 6 MP a 竖直方 向的拉应力集 中。分析其原 因 ， 主 要为 主塔 截 面 只施加 了水平 方 向的环 向预应 力 ，在竖直方 向属于普钢构件 ，出现拉应力集 中 不可避免 ，同时由于尾索处于塔顶 ，没有拉索产 生 的竖直方 向的压应力 累积 ，所 以在尾索 以上 的 内壁边缘 区域 出现 了较大 的拉应力集 中。 5 结语 独塔 斜拉桥主塔拉索锚 同区处 的应力非常 复 杂 ，拉索对 主塔产生水平 向的拉力及轴 向的压 力 ，一般采用环 向预应力 可有效地克服拉索产 生 的拉应 力。本 文介绍 了一种 常用有效 的环 向预应 力设计 方法 。通过本 文阐述的主塔锚 固区有 限元 实体分 析方法 ，得 出主塔 大部分锚 固区的应 力满 足规 范要求 ，但局部锚 固区( 最后三根尾 索 ) 锚 固 上缘会 出现较 大的竖直方 向拉应力集 中。整体 而 言 ，该 方法求 出的应 力结果较为合理 ，模 型较真 实地反映了实际情况。对于尾索锚固点以上区域 竖直方向的拉应力集中，通过配置普通钢筋来控 制混凝土裂缝宽度 ，以保障主塔的使用性和耐久 生 参考 文献 【 1 】 林寅 斜拉桥索塔锚固区环 向预应 力束伸长量研究 城市 道 桥与 防洪 ， 2 0 1 0 ， ( 0 9) 【 2 】于博 ， 于 西尧 某斜 拉桥 主塔锚 固 区空 间应 力 分析 J 】 _ 科 学 之 友 ， 2 0 0 8 ， ( 1 1 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m