大跨度斜拉桥索塔钢锚箱锚固体系横向受力分析方法

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42世界桥梁2011年第l期大跨度斜拉桥索塔钢锚箱锚固体系横向受力分析方法杨允表。兰昌荣(1．合乐中国有限公司，上海200021；2．浙江交通勘察设计有限公司，浙江杭州310014)摘要：大跨度斜拉桥索塔锚固区钢锚箱和混凝土塔壁形成一个钢一混凝土组合结构，其中钢锚箱拉板和混凝土侧壁共同承受斜拉索的水平分力，而钢锚箱两端和混凝土前壁之间则存在比较复杂的叠合效应。以上海长江大桥主跨为730m的5跨连续分离式钢箱梁斜拉桥为例，利用4个两维模型简化分析钢锚箱和混凝土塔壁的组合结构，进行分析比较后得到一个准确的简化计算模型，然后，将推荐的两维模型和三维空间模型进行比较，验证了两维模型的准确性，该两维模型可以推广应用到索塔锚固区组合结构的横向受力分析中。关键词：斜拉桥；索塔锚固区；组合结构；钢锚箱；两维模型；三维模型；横向受力；分析方法中图分类号：U448．27；U441．5文献标志码：A文章编号：1671—7767(2011)01_0042—051引言段，节段高度分别为0．787(预埋底座)，3．2，2．9，钢锚箱在大跨度斜拉桥索塔锚固构造中的工程2．6，2．4，2．3m，各节段上、下栓接连成一体。除预应用实例越来越多_1~“一。在索塔锚固区混凝土塔柱埋底座外，其余22个节段分别锚固1对斜拉索。锚的设计中，结构的总体分析不能提供详细设计内力箱主拉板厚40rnm、高1．3m；腹板为直接传递索力作为计算混凝土塔壁的横向分布钢筋与裂缝宽度的结构，根据索力的大小，腹板的厚度分为45，40，35依据，所以非常有必要对塔柱进行横向的受力分析。mm；端板厚30mm、宽2．8m。每个节段拉板之间三维空间模型能够反映结构的实际受力情况，但是设置l道横隔板，其主要作用是对拉板加劲，并兼作结构建模复杂、费时，对于应力集中区设计内力的取张拉斜拉索时的施工平台，横隔板厚16mm，上面值难以确定，而且从结构分析模型中取出截面应力开有1m×0．5m的人孔。混凝土塔柱侧壁厚1．0并换算为截面内力的过程中存在一定的困难。而两m，前、后壁厚约1．0～1．3m。斜拉索的水平力由2维模型只要能够准确把握实际结构的受力机理并忽块拉板和混凝土塔柱两侧壁共同承担，钢锚箱端板略一些次要因素，其建模简单、省时，也能够非常容和混凝土塔壁之间用剪力钉连接，剪力钉直径22易而准确地提供设计所需要的截面内力。所以，尽mm、长200mm。量利用简单的两维模型作为结构设计的依据，如有必要再用局部的三维空间模型来进行比较验证。3索塔锚固区传力机理以上海长江大桥主桥为例，利用平面有限元方索塔锚固区钢锚箱与混凝土塔壁之间的横向受法，根据不同的简化思路提出4个两维模型来简化力机理非常复杂，需要运用有限元方法并通过合理分析钢锚箱和混凝土塔壁的组合结构；对4个模型的简化来详细分析其作用力的传递机理、钢与混凝进行分析比较，并且通过与三维空间有限元模型进土各个部分的作用力分担大小等等。行比较，得到一个准确的简化计算模型来指导设计。如图1和图2所示的索塔锚固区钢锚箱一混凝土塔壁组合结构，在斜拉索索力的水平分力作用下2上海长江大桥主桥索塔锚固区简介的受力机理为：水平分力通过钢锚箱的2块腹板扩上海长江大桥工程的主通航孔桥采用主跨为散并传递到两边的拉板和端板上；传递到拉板的那730m的5跨连续分离式钢箱梁斜拉桥方案，其跨部分力使拉板发生轴向变形，根据变形协调条件，其径组合为(107+243+730+243+107)m。中一部分拉力通过拉板作用到混凝土前壁上；而部索塔锚固区的钢锚箱总高度为55．787m，顺桥分由腹板传递到端板上的力以接触压力的形式由端向长5．4m，横桥向宽2．5m。钢锚箱共分23个节板再次扩散到混凝土塔柱的前壁上；最后，作用在混收稿日期：2010—06—25作者简介：杨允表(1969一)，男，高级工程师，加拿大注册职业工程师，美国土木工程师协会会员，l991年毕业于宁波大学工民建专业，工学学士，1993年毕业于东南大学结构工程专业，工学硕士，1996年毕业于东南大学结构工程专业，工学博士(E—mail：yunbiao—yang@yahoo．ca)。 大跨度斜拉桥索塔钢锚箱锚固体系横向受力分析方法杨允表，兰昌荣43凝土前壁的力传递到两侧壁上，由侧壁来承受拉力。传到塔壁上，从而两者之间产生摩擦力；但是，关于所以，斜拉索索力的水平分力是由钢锚箱的拉板和该摩擦力对剪力钉传递机理的影响如何，在国内、外混凝土塔柱的侧壁共同分担的，但力的传递途径较均无研究实例。结构模型二在模型一的基础上改变复杂。钢锚箱端板与混凝土塔壁的结合条件，假定它们两者之间完全脱开，只是用剪力钉传递剪力和轴力。4越。模型三[见图3(b)]在模型二的基础上，在模拟混凝d==寸d==土塔壁时，用梁单元代替平面单元，在剪力钉位置处町==6。：一一～。：’—、用刚臂与剪力连接单元相连接，这样更有利于截面r]!设计内力的取值。模型四[见图3(c)]忽略了钢锚箱腹板对水平力的扩散与传递作用，而把水平力直图1索塔锚固区组合结构竖向剖面示意接作用在两拉板上。BI／＼(a)模型一(b)模型三(c)模型四图3结构两维模型由于桥面纵曲线的影响，桥塔两边斜拉索角度图2索塔锚固区组合结构平面示意不一样，所以两边斜拉索的索力也不一样，但是相差很小。为简化结构分析，索力取较大值作为外力输44个两维模型的比较入结构模型中。考虑的荷载工况为：恒载、活载，整4．14个两维模型的建立体升、降温3O℃，混凝土收缩等效为降温15℃。根取上海长江大桥主桥索塔锚固区的顶部节段据上海长江大桥主通航孔桥的结构总体分析报告，(节段23)作为研究对象。混凝土强度为C5O，弹性在恒载作用下的索力为8400kN，水平方向的分量模量E一34500MPa，泊松比I,J一0．2，热膨胀系数为7781kN；在车道及轻轨荷载作用下的索力合力为1．0×10一；钢锚箱的钢板采用Q345qD，弹性模为1750kN，水平方向的分量为1622kN。量E一210000MPa，泊松比一0．3，热膨胀系数4．24个两维模型计算结果的比较与分析为1．2×1O～。钢锚箱节段高2．3m，腹板厚0．0454个两维模型在各个工况下的名义应力、截面m，2块腹板在水平方向上的贡献为0．0827m。根内力分别见表1、表2，钢锚箱拉板与混凝土侧壁分据苏通长江大桥主通航孔桥的钢锚箱剪力钉试验结担恒载索力比例的比较见表3。控制点1～4及控果，取单个剪力钉的剪切刚度为473kN／mm，轴向制截面A—A与B—B位置示意见图2。刚度为38200kN／mm。由分析结果可知，2号、3号控制点的正应力为根据以上的受力机理可知，在结构模型中必须拉应力，在不考虑混凝土开裂时，在恒载作用下的应包含钢锚箱的腹板，使之能够把水平力扩散并传递力值已经超过了C50混凝土的抗拉强度标准值。到拉板和端板上。利用大型结构分析软件为了考虑塔壁混凝土的开裂效应，简化地利用了开SAP2000建立结构模型一[见图3(a)]，钢锚箱的各裂区混凝土弹性模型折减的方法，所以，根据《公路个板块都用平面单元来模拟，腹板的厚度取其水平钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ方向的贡献，并且假定端板与混凝土塔壁完全接触023—85)，对开裂区混凝土弹性模量等效地采用并能共同作用。实际上，钢锚箱端板与混凝土塔壁0．67的折减系数。从表1与表2的数据可知，混凝之间用剪力钉结合，它们之间的约束作用大小与剪土塔壁在斜拉索水平分力作用下承受拉弯作用；在力钉的刚度、强度、配置间距及钢锚箱与混凝土塔壁短期效应组合、长期效应组合下，2号、3号控制点的间的压力有直接关系。特别是当索力很大时，一部拉应力均是模型一的最大，这是由于模型一没有介分索力水平分力通过钢锚箱与混凝土塔壁问的压力入剪力钉，前壁混凝土与钢锚箱端板完全接触，混凝 44世界桥梁2011年第1期注：NA、MA分别为截面A—A的轴力、弯矩，NB、MB分别为截面B—B的轴力、弯矩，轴力单位为kN，轴力以拉力为正，弯矩单位为kN·m，弯矩以混凝土塔壁内侧受拉为正。下同。表3钢锚箱拉板与混凝土侧壁分担恒载索力比例的比较的平面分析采用考虑剪力钉作用的平面框架单元与平面应力单元的混合模型(模型三)，修正了苏通长江大桥主通航孔桥所采用的平面框架模型[引。5两维模型与三维模型的比较5．1三维有限元模型的建立土前壁与钢锚箱形成100％的“叠合”效应。但是，取上海长江大桥主桥索塔锚固区顶部受力最不在实际设计中，钢锚箱与混凝土前壁由剪力钉连接，利6个节段为研究对象，即斜拉索索力最大的顶部它们两者不可能产生100的“叠合”效应，模型二6个节段(18～23)，分析其在不同荷载工况作用下与模型三作为实际施工图设计的计算模型比较合的空间受力特性，得到的计算结果与两维模型中的适；而模型四不能体现出钢锚箱与混凝土前壁的“叠模型三进行比较，以验证模型三的有效性，并进一步合”效应，其前壁中点截面处的应力、内力与其它模了解索塔锚固区的空间工作性能。型不相符合，即使侧壁中点处截面的应力、内力与其利用大型有限元分析软件ANSYS进行空间建它模型相近(此处与钢锚箱没有“叠合”效应)，在实模(见图4)。混凝土塔壁采用高阶六面体实体单际设计中也不能用模型四作为计算模型来指导设计。元；钢锚箱采用高阶四边形空间壳单元；剪力钉采用空间三向弹簧单元。模型中实体单元5l844个，壳根据以上分析，着重对模型二与模型三进行研究比较。从2号控制点的短期效应组合、长期效应单元36790个，弹簧单元9294个，整个模型共计有组合的最大拉应力来看，模型二比模型三大9．4，97928个单元。但此截面的内力非常接近，这是因为平截面假定对在三维空间模型的力学分析中，考虑的荷载工于混凝土厚壁的应力分布存在一定的误差。而模型况除同以上两维结构分析外，另外还考虑塔壁的梯三更易应用于实际工程设计，能够避免模型二对于度温度，即混凝土壁内、外温差1O℃。在模型中施应力集中区的应力取值及积分求和形成截面内力的加边界条件时，考虑到模型的对称性，在其底面对称过程。所以，上海长江大桥主通航孔桥索塔锚固区轴上的节点施加对称位移边界条件，也即对称结构 大跨度斜拉桥索塔钢锚箱锚固体系横向受力分析方法杨允表，兰昌荣45表4节段20的三维与两维的截面内力比较表5三维和两维模型在恒载作用下的截面内力比较(a)1／2索塔锚回区【b)1／2钢铺籀图4空间有限元模型在作用对称荷载条件下的位移边界条件，使整个结构的截面能够自由变形，固定整个底部截面的竖向两维平面模型的计算结果与三维空间模型非常位移，采取这样的边界条件可以更好地减小边界对接近，证明了两维模型引入的一些简化与假定的合计算结果的影响。斜拉索的索力以均布力加在钢锚理性。两维模型的建立要比三维模型简单而省时，箱顶板上锚垫板对应的面积上，以真实地反映斜拉并能有效地处理计算结果数据，大大方便了索塔锚索索力的作用。固区混凝土塔壁的设计，为以后类似结构的设计提5．2三维模型与两维模型计算结果的比较与分析供借鉴与参考。三维模型与两维模型部分计算结果见表4、表5。从表4可知，在不同荷载工况下，三维空间模型参考文献：得到的截面内力与两维平面模型相应的截面内力非[1]戴捷，张喜刚，吴国民．苏通大桥主桥索塔设计[c]／／常接近。计算可知，在恒载作用下，除节段18与节中国公路学会桥梁和结构工程分会2004年全国桥梁学段23受模型边界影响外，其余节段的代表点应力和术会议论文集．北京：人民交通出版社，2004：47—53．截面内力分别与两维模型相应点的应力和截面内力[2]杨祖东．诺曼底大桥的设计与施工[J]．城市道桥与防(见表5)接近。洪，1995，(3)：19—35．E3]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]．2006．6结语[4]中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司．杭州湾通过4个两维模型的分析比较，提出的采用考跨海大桥北航道通航孔桥索塔锚固区节段模型试验研虑剪力钉作用的平面框架单元与平面应力单元的混究报告[R]．2004．合模型(模型三)有利于实际工程的设计，可用于上[5]中交公路规划设计院．苏通大桥主桥技术设计专题报海长江大桥主桥的索塔锚固区横向受力分析。告——索塔锚固区方案比选和设计[R]．2004．AnalysisMethodforTransverseForceConditionsofSteelAnchorBoxAnchorSysteminPylonofLongSpanCable-StayedBridgeYANGYun—biao·LANChang—rong(1．HalcrowChinaI⋯tdShanghai200021，China；2．Zh@angTransportSurveyandDesignCo．，Ltd．，Hangzhou3i0014，China)Abstract：Inthecable～to—pylonanchorzoneoflongspancable—stayedbridge，thesteelanchorboxandconcretewallsformasteelandconcretecompositestructure，inwhichthetensilesteel(下转第63页) 对GFRP筋混凝土桥面板中压缩薄膜效应的研究郑愚，李春红，秦怀泉63barsandonthebasisofthepreviousexperimentalstudiesofGFRPbarsandreinforcedconcretedeckslabs，thefiniteelementmethodisusedtoconductthenonlinearanalysisofthetypeofthestructuresandtheresultsofthecalculationandexperimentarecompared．Theresultsofthea—nalysisshowthatthecalculationagreesfairlywellwiththeexperimentandtheestablishedmodelscancorrectlyrepresenttheworkingperformanceandtheCMAoftheslabsreinforcedwithGFRPbars．TheCMAcausestheactualcarryingcapacityoftheslabstobegreaterthanthatcalculatedaccordingtothecurrentdesignmethodswhilethedesignmethodsseverelyunderestimatesthecarryingcapacityoftheslabsowingtothenegligenceoftheCMA，whichinturnresu1tsinexces—．sivearrangementofthebarsintheslabs．TheCMAincreaseswiththeincreaseofconcretestrengthandrigidityofsupportingbeams．Thepunchingfailuremaybethemajorfailuremodeoftheslabsundertheactionofwheelloadanditishenceproposedthattherelatedsuccessivestud—iesshouldbemade．Keywords：concretedeckslab；GFRP；compressivemembraneaction；nonlinearfiniteele—mentanalysis；finiteelementmethodlml，●m，ml，，m，'●，’，'，●m，’，’，m，，，m，l●''m，m，'lm，，l，’'，'，'，'，’'，’''’’’’’’’，．--，m(上接第45页)D1atesoftheanchorboxandtheconcretesidewallsjointlybearthehorizontalcomponentofstaycablesandthecomplicatedcompositeeffectthereforeexitsinbetweenbothendsoftheanchorboxandtheconcretefrontwalls．Takingthe5-spanseparatedcontinuoussteelboxgirdercable—stayedbridgeofShanghaiChangjiangRiverBridgehavingamainspan750masanexample，thispaperfirstlvana1vzesthecompositestructureofthesteelanchorboxandconcretewalls，usingfoursimpliftedtwo—dimensionalmodelsandobtainsanaccuratesimplifiedcalculationmodelafterana—lyticalcomparison．Then，thepapercomparestherecommendedtwo—dimensionalmodeltothethree—dimensionalmodel，verifiesthecorrectnessofthetwo-dimensionalmodelandconcludesthatthetwo—dimensionalmodelcanbepopularizedandappliedtotheanalysisoftransverseforcecon—ditionsofthecompositestructuresofthecable—to—pylonanchorzones．Keywords：cable—stayedbridge；cable—to—pylonanchorzone；compositestructure；steelan—chorbox：two—dimensiona1model；three—dimensionalmodel；transverseforcecondition；analysismthod●，ll，，，’，’，，’’’，’lll，，，’，，l’’，’’l’l，，’’’’l’’’’’I’，’，’llI’I'I'’，’’，l’’，'I’，，'’，，''’，，''''''’●l欢迎订阅2011年度桥梁建设《桥梁建设》(刊号ISSN1003—4722／CN42—1191／U、邮发代号38—54)双月刊(双月28日出版)，大16开本(80页)，每册定价12．00元·全年定价72．OO元。全国各地邮局订阅，编辑部亦可办理邮购。《桥梁建设》持有广告经营许可证，代办设计，收费合理，时效持久，欢迎洽谈。编辑部地址：武汉市建设大道103号邮编：430034电话：(027)83519506(编辑部)，83550081(广告部)传真：(027)83360005E—mail：qlkxyjs@public．wh．hb．cnqljs@ztmbec．corn《桥梁建设》编辑部2O11年1月