混凝土斜拉桥索塔锚固区应力分析

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1、混凝土斜拉桥索塔锚固区应力分析混凝土斜拉桥索塔、主梁常采用预应力混凝土结构,在强大的索力和预应力共同作用下,索塔锚固区受力十分复杂。针对索塔锚固区的受力状况进行研究,对优化锚固区细部构造及预应力钢束的布置均有重要意义。以一座双塔混凝土斜拉桥为例,运用有限元方法对索塔锚固区进行了空间应力分析,总结了锚固区的受力特点。关键词:斜拉桥是由塔、梁和索3种基本构件组成的桥梁结构体系[1]。对于混凝土斜拉桥而言,索塔、索梁锚固区是一个将索力安全、均匀传递到塔柱、主梁的重要部位,其受力状况较为复杂。随着现代混凝土斜拉桥的跨径日益增加,拉索锚固区的受力越来越大,为平衡巨大的索力在锚固区产生的拉

2、应力,通常需要在塔柱内布置预应力钢束[2]。为了使锚固区的受力更加合理,还必须优化预应力束布置形式和数量,这使得锚固区受力更为复杂。为了准确了解锚固区的应力分布情况,必须对锚固区进行精细的有限元仿真分析。本文以某预应力混凝土斜拉桥为例,利用有限元程序ANSYS对其索塔锚固区进行空间应力分析,并总结锚固区的受力特点,为此类桥型的设计和施工提供参考和依据。1.工程概况  某斜拉桥为(115+250+115)m双塔双索面预应力混凝土梁斜拉桥,边中跨比为0.46,全长480m。斜拉索采用高强平行钢丝拉索,采用扇形布置,全桥共10对。梁上基本索距为6m,塔上索距为1.5~1.6m。拉索倾

3、角为32°~75°。斜拉索锚固在主塔锚固区塔柱内壁的锯齿块上,为了克服斜拉索的水平分力在锚固区塔柱截面内产生拉力,在每根拉索锚固区截面四周布置了1-3层井字型加劲二次张拉预应力钢束。  1.1主桥布置图  1.2主塔构造图  1.3索塔锚固端构造图2.索塔锚固区应力分析2.1计算模型  计算取1/4桥塔锚索区整个节段为模型,取塔柱锚索区所有节段作为分析段,模型高94.8m,分别模拟了混凝土结构、纵横向预应力筋和锚索端局部构造,计算模型如图4所示。分析中考虑了预应力效应、斜拉索的斜度和斜拉索锚垫板等。计算中将整个结构视作匀质弹性体,混凝土弹性模量取35000MPa,泊松比取0.2

4、,容重取26kN/m3,未考虑普通钢筋对结构的影响。预应力筋弹性模量取195GPa,泊松比取0.3,容重取78.5kN/m3。预应力损失考虑了锚具回缩损失、管道偏差损失及混凝土的收缩、徐变的影响。    1.4塔柱标准截面  1.51/4塔柱几何模型2.2单元与边界条件  混凝土采用solid45实体单元,有x、y、z轴3个方向的自由度;纵横向预应力采用Link8三维空间杆单元,有3个自由度,分别为x、y、z轴3个方向的位移;锚索区的锚垫板也采用solid45实体单元模拟。由于取整个塔柱实体结构进行模型分析,可以将塔柱底端作为固端约束处理[3]。划分单元时,对上塔柱拉索区混凝土

5、单元细致X格划分,下塔柱混凝土单元粗略X格划分,塔体和锚垫板采用20节点六面体单元(solid95)及其退化单元(四面体及五面体),模型中未考虑体内普通钢筋及材料的塑性变形,计算结果偏于安全。  1.7有限元模型-12.3预应力和荷载  桥塔的纵、横向预应力,是在考虑锚具回缩损失、管道偏差损失及混凝土的收缩、徐变引起的各项预应力损失之后,施加在单元上的,见图1.9。模型中预应力钢绞线标准强度为1860MPa,张拉控制应力取1395MPa。模型中用空间杆单元Link8来模拟预应力钢束,在定义好Link8单元的材料、截面特性后,用施加初应变的办法来控制Link8单元各个截面的应力,

6、从而达到施加纵、横向预应力的目的。模型考虑自重和斜拉索的影响,模拟了斜拉索索力的大小和方向。选取斜拉索索力最大值为计算荷载值,按面荷载施加于锚垫板上。  1.9预应力钢束模型2.4计算结果  1.10预应力和索力作用下I-I断面正应力Sx(S14~S20)  1.11预应力和索力作用下I-I断面正应力Sx(S7~S13)  1.13预应力和索力作用下III-III断面正应力Sz3.结论(1)从有限元计算结果可以看出,预应力的作用通过锚固端很好地传递到索塔和主梁上,能够很好地抵消斜拉索巨大的水平分力。(2)索塔锚固端截面的最大应力一般都控制在3MPa范围内,满足设计要求,这说明截

7、面设计和预应力束的布置是合理的。(3)在锚固齿块附近一些截面突变的区域,存在较大的拉应力,应力集中现象较为明显,应该在此处通过调整锚垫板、索导管尺寸以增大受压面,或适当增密普通钢筋的布置,以防止混凝土开裂,进而影响结构的耐久性和安全性。

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1、混凝土斜拉桥索塔锚固区应力分析混凝土斜拉桥索塔、主梁常采用预应力混凝土结构,在强大的索力和预应力共同作用下,索塔锚固区受力十分复杂。针对索塔锚固区的受力状况进行研究,对优化锚固区细部构造及预应力钢束的布置均有重要意义。以一座双塔混凝土斜拉桥为例,运用有限元方法对索塔锚固区进行了空间应力分析,总结了锚固区的受力特点。关键词:斜拉桥是由塔、梁和索3种基本构件组成的桥梁结构体系[1]。对于混凝土斜拉桥而言,索塔、索梁锚固区是一个将索力安全、均匀传递到塔柱、主梁的重要部位,其受力状况较为复杂。随着现代混凝土斜拉桥的跨径日益增加,拉索锚固区的受力越来越大,为平衡巨大的索力在锚固区产生的拉

2、应力,通常需要在塔柱内布置预应力钢束[2]。为了使锚固区的受力更加合理,还必须优化预应力束布置形式和数量,这使得锚固区受力更为复杂。为了准确了解锚固区的应力分布情况,必须对锚固区进行精细的有限元仿真分析。本文以某预应力混凝土斜拉桥为例,利用有限元程序ANSYS对其索塔锚固区进行空间应力分析,并总结锚固区的受力特点,为此类桥型的设计和施工提供参考和依据。1.工程概况  某斜拉桥为(115+250+115)m双塔双索面预应力混凝土梁斜拉桥,边中跨比为0.46,全长480m。斜拉索采用高强平行钢丝拉索,采用扇形布置,全桥共10对。梁上基本索距为6m,塔上索距为1.5~1.6m。拉索倾

3、角为32°~75°。斜拉索锚固在主塔锚固区塔柱内壁的锯齿块上,为了克服斜拉索的水平分力在锚固区塔柱截面内产生拉力,在每根拉索锚固区截面四周布置了1-3层井字型加劲二次张拉预应力钢束。  1.1主桥布置图  1.2主塔构造图  1.3索塔锚固端构造图2.索塔锚固区应力分析2.1计算模型  计算取1/4桥塔锚索区整个节段为模型,取塔柱锚索区所有节段作为分析段,模型高94.8m,分别模拟了混凝土结构、纵横向预应力筋和锚索端局部构造,计算模型如图4所示。分析中考虑了预应力效应、斜拉索的斜度和斜拉索锚垫板等。计算中将整个结构视作匀质弹性体,混凝土弹性模量取35000MPa,泊松比取0.2

4、,容重取26kN/m3,未考虑普通钢筋对结构的影响。预应力筋弹性模量取195GPa,泊松比取0.3,容重取78.5kN/m3。预应力损失考虑了锚具回缩损失、管道偏差损失及混凝土的收缩、徐变的影响。    1.4塔柱标准截面  1.51/4塔柱几何模型2.2单元与边界条件  混凝土采用solid45实体单元,有x、y、z轴3个方向的自由度;纵横向预应力采用Link8三维空间杆单元,有3个自由度,分别为x、y、z轴3个方向的位移;锚索区的锚垫板也采用solid45实体单元模拟。由于取整个塔柱实体结构进行模型分析,可以将塔柱底端作为固端约束处理[3]。划分单元时,对上塔柱拉索区混凝土

5、单元细致X格划分,下塔柱混凝土单元粗略X格划分,塔体和锚垫板采用20节点六面体单元(solid95)及其退化单元(四面体及五面体),模型中未考虑体内普通钢筋及材料的塑性变形,计算结果偏于安全。  1.7有限元模型-12.3预应力和荷载  桥塔的纵、横向预应力,是在考虑锚具回缩损失、管道偏差损失及混凝土的收缩、徐变引起的各项预应力损失之后,施加在单元上的,见图1.9。模型中预应力钢绞线标准强度为1860MPa,张拉控制应力取1395MPa。模型中用空间杆单元Link8来模拟预应力钢束,在定义好Link8单元的材料、截面特性后,用施加初应变的办法来控制Link8单元各个截面的应力,

6、从而达到施加纵、横向预应力的目的。模型考虑自重和斜拉索的影响,模拟了斜拉索索力的大小和方向。选取斜拉索索力最大值为计算荷载值,按面荷载施加于锚垫板上。  1.9预应力钢束模型2.4计算结果  1.10预应力和索力作用下I-I断面正应力Sx(S14~S20)  1.11预应力和索力作用下I-I断面正应力Sx(S7~S13)  1.13预应力和索力作用下III-III断面正应力Sz3.结论(1)从有限元计算结果可以看出,预应力的作用通过锚固端很好地传递到索塔和主梁上,能够很好地抵消斜拉索巨大的水平分力。(2)索塔锚固端截面的最大应力一般都控制在3MPa范围内,满足设计要求,这说明截

7、面设计和预应力束的布置是合理的。(3)在锚固齿块附近一些截面突变的区域,存在较大的拉应力,应力集中现象较为明显,应该在此处通过调整锚垫板、索导管尺寸以增大受压面,或适当增密普通钢筋的布置,以防止混凝土开裂,进而影响结构的耐久性和安全性。

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