异形截面斜拉桥索塔锚固区节段受力性能研究

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1、摘要索塔拉索锚固区是斜拉桥中的关键部位，拉索的局部集中力将通过这一部位安全、均匀地传递到塔柱中。由于拉索的局部强大集中力、预应力筋的锚固力以及孔洞削弱等因素影响使该区域受力状态十分复杂。因此，斜拉桥索塔锚固区节段受力性能分析的探讨一直以来受到桥梁界的瞩目，索塔锚固区也是斜拉桥设计和施工的难点和关键。本文依托于哈尔滨绕城高速公路四方台大桥，主要对该桥索塔受水平分力最大的塔顶部锚固区节段进行详尽的理论分析和可靠的足尺模型试验，并对索塔锚固区所选节段提出优化设计方案。首先利用ANSYS软件针对索塔锚固区所选节段进行了详尽

2、的空间有限元分析，考察索塔锚固区的应力分布和变形情况。该节段模型在荷载作用下产生较大的水平方向应力，垂直方向应力与水平方向应力相比较小。有限元分析结果表明，在预加应力阶段，索塔节段各角部区域是预应力钢筋集中锚固的交汇处，应力分布非常复杂，尤其是受横向预应力大吨位张拉的影响，在模型长边内侧端部区域会出现较大的局部拉应力，理论计算与实测都证明了这一点。对索塔锚固区进行了预应力束施工工艺试验。试验条件与主塔的实际施工工艺完全相同，以认真实践主塔的施工工艺，并为主塔的施工积累经验。通过试验确定塑料波纹管的孔道摩阻系数，对预

3、应力钢束张拉伸长量进行分析，并对预应力孔道真空辅助压浆工艺进行探讨。在小半径大吨位情况下预应力钢筋对孔道的径向力将增大，预应力钢筋与孔道问将不再是点接触，呈现出嵌入孔道的趋势，摩擦系数将有较大的增加，现行设计规范尚未对此有明确的规定。因此，对许多小半径大吨位情况下，k、／．t系数的选定应当根据模型试验的结果来分析确定。通过试验得出塑料波纹管的孔道摩阻系数在O．12～O．15之间。影响预应力钢束伸长量的因素繁多，一般情况下，其实测伸长量与理论伸长量之间相差较大，通过本试验考察各种因素对张拉伸长量的影响程度并探讨能够有

4、效减缓预应力钢束伸长量的张拉工艺。试验结果表明，进行预张拉25％a。。。能够有效减缓预应力钢束不均匀受力引起的伸长量。本试验采用与实际拖工相同的真空辅助压浆工艺，以指导实桥的施工操作，并确定了效果良好的压浆配比。试验结果表明，将真空辅助压浆工艺用于预应力管道的灌浆，具有很好的压浆饱满度和密实性效果，值得推广应用。进行索塔锚固区节段足尺模型试验。索塔锚固区是斜拉桥中的关键部位，承受着巨大的水平分力，同时作用有其它形式的集中力，并伴有孔洞削弱等不利影响，使该区域受力状态十分复杂。而四方台松花江大桥索塔截面又为国内首次采

5、用的单轴对称类六边形，其受力状态将更加复杂，单纯的理论分析无法全面反映索塔锚固区实际的应力分布和变形情况。通过足尺模型试验以及与有限元分析结果之间的比较发现：索塔在预加应力阶段及混凝土开裂前，其应力实测值与计算机仿真分析结果基本吻合，说明处于复杂受力状态的索塔锚固区，利用有限元技术进行模拟，也可得到较为满意的结果；根据试验结果，索塔的开裂荷载为14500kN，相应的抗裂安全系数为2．07；由于桥塔沿横桥向为非对称结构形式，庄J#l-两侧应力分布很不均匀，内侧塔壁在试验荷载作用下产生较大的环向拉应力，裂缝发展较快。鉴

6、于此，建议将内侧塔壁的预应力束予以加强。模型的顺桥向两侧短边角部及锚下应力集中现象较明显，建议在短边内角部加设环向钢筋，并在索孔周围用较密的螺旋箍筋加固。对预应力钢束曲布置方式进行优化。索塔锚固区预应力钢束的合理配置对提高该区域的受力性能具有很重要的意义。由于本索塔截面类型特殊，即顺桥向塔壁较短，此处难以布置独立的直线型预应力钢束，较合理的预应力钢束布置方案单一，因此对预应力布束方式的优化只进行每种钢束中预应力筋数量的确定。在本文采用的布束方案中，经过优化分析得到NI～N4钢束中的预应力筋数量为Nl=11，N2=8

7、，N产5，N4=6根时其受力性能最优。在混凝土塔中布置钢横梁或钢．混凝土组合横梁可有效分担拉索引起的水平拉力、垂直分力以及偏心弯矩。在较为简单的对称结构中横梁的作用和传力路径比较明确，而在复杂的非对称结构中，由于受力和传力形式发生改变，有必要对其在主塔结构中所起到的作用进行探讨。通过有限元分析得出，索塔锚固区无横梁时的应力虽比有横梁时略有提高，但无显著差异，与足尺模型试验结果中得出的横梁只承担总拉力7．7％的结论相吻合，考虑到受力和施工方便性等因素，建议将该横梁改为主塔混凝土浇筑后装配，并在实际施工中得到采纳，对主

8、塔结构的优化设计和方便旖工起到了重要作用。关键词斜拉桥；索塔锚固区；模型试验；有限元分析；优化设计AbstractTheanchoragezoneofthepylonisakeypartforcable—stayedbridges，wherethelocalconcentratedforceofcablewiUbetransferredtothepylons