某斜拉桥索塔锚固区应力分析

王 静

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030012）

1 引言

随着高速公路不断建设，公路网日益加密，很多地方因地形原因需要建设特大跨径的桥梁，而连续刚构和斜拉桥成为最常用的桥型。200m 以上跨径，尤其以斜拉桥最为常见。在日常设计中，常规计算仅仅能分析拉索和主梁的受力情况，对于大体积的下部结构分析相对欠缺，尤其对于斜拉索索塔锚固区等应力集中部分，因受力复杂，分析精度较差。

而斜拉桥索塔的拉索锚固区是斜拉桥的重要结构部位, 需将拉索的强大局部集中力安全、均匀地传递到塔柱, 其构造及受力相当复杂,特别是拉索局部强大集中力及预应力钢束锚固力的作用,对结构变形和应力的分布影响很大，常规的力学分析难以全面反映结构的实际工作状态和应力分布。为此,最直接、有效的方法是采用实体有限元模型进行模拟分析。

2 工程概况

某双塔斜拉桥采用134+430+134m 钢桁梁结构(如图1)，半飘浮体系，塔墩固结、塔梁分离。主梁采用2 片主桁，平行弦钢桁梁，矩形横断面，桁高13m，桁间距18m，节间长度13.5m。主桁采用N 形桁式，其上、下弦杆均为箱形截面，采用焊接整体节点的结构形式，杆件最大板厚50mm。桥面采用整体正交异性钢桥面板，其上设置15cm 厚的钢筋混凝土道碴槽板。主桁与桥面系均采用Q370qD 材质的钢材。桥塔顺桥向为单柱式、横桥向为花瓶形(折线H 形），塔柱与横梁均为空心矩形截面。除下横梁与上塔柱索塔锚固区布置预应力外，桥塔其余部分均为C50 钢筋混凝土结构。塔高分别为187m。全桥共布置56 对斜拉索，斜拉索采用镀锌高强钢丝束，按平行的扇形双索面布置，塔上索距为2.5 ～4m、梁上索距均为13.5m。为减少锚固点上非铰效应的影响，梁端锚具设计成球铰。

图2 S12 ～S9 索锚固区实体分析模型

图3 锚固区齿板局部

3 有限元模型的建立[1]

利用ANSYS 建立的计算模型，计算主要位置的应力，混凝土单元和锚垫板、承压板采用块体单元、预应力钢束采用杆单元。其中，混凝土和锚垫板、承压板采用solid64 单元，预应力钢索采用link8 单元。

取隔离体进行分析，根据对计算结果的多次比较可知，模型上端面不约束，不影响计算结果，下端面约束仅仅影响最下面一个塔段，对于次下塔段的应力几乎没有任何影响。因此本次计算以考虑索力水平分量最大的塔段S11 为研究对象，建立了与其紧邻的S9 ～S12 塔段进行分析。模型的上端面距塔顶9.25m。

按实际布置设置相应的井字型预应力，采用实体单元，考虑预埋钢管、齿板、锚垫板等构造细节。边界条件采用将最下部所有节点进行固结的方式。

4 模型计算结果[2-3]

为验证索塔锚固区是否安全，应力储备是否可靠，需要明确索塔锚固区应力状态，以指导索塔锚固区的设计配筋。保证适当的安全储备，进而保障成桥的安全使用。斜拉桥主要承受的荷载为自重、恒载、预应力及活载，温度荷载在本次计算中暂不考虑。

为了能准确把握索锚固区附近塔壁应力分布情况，用实体、路径、截面等显示应力（图中应力单位均为MPa）。其中各个符号意义表示如下：

（1）实体应力云图中：SZYLx 代表顺桥向正应力、SZYLy 代表横桥向正应力、SZYLz 代表竖向正应力、SJYLx 代表顺桥向剪应力、SJYLy 代表横桥向剪应力、SJYLz 代表竖向剪应力、S1 代表第一主应力、S3 代表第三主应力。其中Tabi代表塔壁实体应力云图，Chiban 代表齿板应力云图。

（2）截面中，其中SZYLx 代表顺桥向正应力、SZYLy 代表横桥向正应力、SZYLz 代表竖向正应力、SJYLx 代表顺桥向剪应力、SJYLy 代表横桥向剪应力、SJYLz 代表竖向剪应力、S1 代表第一主应力、S3 代表第三主应力。断面为水平面，竖向位置在对应塔段的中间。

经分析，齿板在承受自重、恒载、预应力及活载作用下，受力较为集中，变化较大，齿板第一主应力最大为2.33MPa，齿板第一主应力最小为-2.36MPa；齿板第三主应力最大为-3.82MPa，齿板第三主应力最小为-25.00MPa，如图4～5所示。

图4 S11 齿板第一主应力

图5 S11 齿板第三主应力

经分析，台壁在承受自重、恒载、预应力及活载作用下，受力较为集中，应力变化较大，台壁第一主应力最大为2.5MPa，台壁第一主应力最小为-1.99MPa；台壁第三主应力最大为-0.92MPa，台壁第三主应力最小为-12.40MPa，如图6 ～7 所示。

图6 S11 台壁第一主应力

图7 S11 台壁第三主应力

经分析，台壁在承受自重、恒载、预应力及活载作用下，受力较为集中，剪应力变化较大，台壁顺桥向剪应力最大为5.15MPa，最小为-2.9MPa；台壁横桥向剪应力最大为3.8MPa，最小为-3.95MPa；台壁竖向剪应力最大为2.48MPa，最小为-2.97MPa，如图8 ～10 所示。

图8 S11 台壁顺桥向剪应力

图9 S11 台壁横桥向剪应力

图10 S11 台壁竖向剪应力

经分析，台壁在承受自重、恒载、预应力及活载作用下，受力较为集中，剪应力变化较大，台壁顺桥向正应力最大为2.54MPa，最小为-11.07MPa；台壁横桥向正应力最大为3.63MPa，最小为-8.94MPa；台壁竖向正应力最大为1.15MPa，最小为-4.16MPa，如图11 ～13 所示。

图11 S11 台壁顺桥向正应力

图12 S11 台壁横桥向正应力

图13 S11 台壁竖向正应力

经有限元分析，台壁在承受自重、恒载、预应力及活载作用下，典型位置应力如表1。

表1 典型位置应力表

从上述分析结算结果可以看出，索塔锚固区在自重、恒载、预应力及活载的综合作用下，应力十分复杂。索塔锚固区由于锚索集中荷载作用，且锚索应力很大，此区域应力十分不均匀，应力在每个方向应力变化巨大。通过对索塔锚固区的分析可知，在索塔锚固区每个断面的不同区域，应力差别较大，设计中应精确分析，以最大应力处控制配筋设计，在设计时应该相对保守，安全储备是加大，以保证桥梁的安全。

按本计算结果，指导本桥索塔锚固区的钢束布置，可以得出各主要节点在最大索力阶段的正应力大于1.5MPa，主压应力小于6.4MPa，主拉应力小于0.5MPa。各项均满足规范要求，安全储备足够，能够保证结构的安全[4]。索塔锚固区各个局部的拉压应力均在容许的范围之内，结构处于安全状态，并且没有出现钢材浪费的问题，方案相对经济、稳妥、安全。

由于该局部应力比较复杂，计算结果与实际施工有差距，为了保证结构在承载能力和正常使用下均安全，需要施工过程进行严格控制，主要注意控制张拉的预应力大小（力和伸长量的双重控制），对锚具回缩量、钢绞线的松弛率等的按设计要求进行控制、对钢绞线的位置（特别是断面上位置）进行控制。

5 结论

通过采用实体模型对索塔锚固区进行分析，可以得出以下结论：

①索塔锚固区受力集中，应力复杂，常规分析很难了解真实的应力状态，需要采用实体有限元模拟计算；

②为保证索塔锚固区的安全，该处设计应加大重视程度，通过实体模型分析可以保证设计方案中经济、稳妥、安全，避免预压应力过大或钢材浪费的问题；

③由于该局部应力比较复杂，计算结果与实际施工有差距，为了保证结构在承载能力和正常使用下均安全，需要施工过程进行严格控制，主要注意控制张拉的预应力大小（力和伸长量的双重控制），对锚具回缩量、钢绞线的松弛率等的按设计要求进行控制、对钢绞线的位置（特别是断面上位置）进行控制。