矮塔斜拉橋索梁錨固區應力分析

摘要 矮塔斜拉橋索梁錨固區受力復雜，是橋梁設計安全的關鍵控制區域。文章依托（2×132 m）T構矮塔斜拉橋，采用實體有限元方法分析了錨固塊、橫梁、主梁頂板的應力狀態。結果表明：在橫梁設置橫向預應力可有效降低橫隔板局部拉應力、錨固塊與腹板之間橫向拉應力;錨固塊與翼緣板交界處順橋向拉應力偏大，加強此處順橋型普通鋼筋，可減小順橋向拉應力、裂縫。

關鍵詞 矮塔斜拉橋;索梁錨固區;有限元方法

中圖分類號 U448.27 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）09-0139-04

引言

矮塔斜拉橋是采用斜拉索進行體外加勁的混凝土梁橋，具有塔矮、梁剛、索集中的結構特點[1-3]。拉索索梁錨固區承受著巨大的索力，極易出現較大拉應力和局部應力集中現象。錨固區域的縱橋向應力呈梯度分布，靠近施力區時增大，較遠的位置則減小。錨固結構在縱橋向的水平面有剪力和彎曲應力出現，有平衡縱橋向力的作用。同時，水平面內的剪力和彎矩對錨固結構造成變形，引起橫橋向的應力，結構處于復雜的空間受力狀態[4]。索梁錨固區是橋梁設計安全的關鍵控制區域[5]。

為改善結構受力狀況，該區域常布置一定數量的預應力鋼筋，使其受力情況極為復雜[6]。鐵路矮塔斜拉橋相較于公路矮塔斜拉橋有著活載占總荷載比例大、活載集度大等特點，這些特點對承受索力的索梁錨固區提出更高的安全要求。

為詳細掌握索梁錨固區的錨固塊、橫梁、主梁頂板受力情況，有必要對索梁錨固區進行三維仿真分析，該文對（2×132 m）T構矮塔斜拉橋作詳細分析，為同類橋梁索梁錨固區提供參考。

1 工程概述

某雙線、350 km/h高速鐵路的（2×132 m）T構矮塔斜拉橋，主梁為預應力混凝土變高梁，梁高7.0～13.0 m，采用C55混凝土，總體布置圖如圖1。全橋共設置18組斜拉索，拉索采用高強低松弛鍍鋅鋼絞線，抗拉強度1 860 MPa，直徑15.2 mm，梁上順橋向錨點間距8.0 m，塔上豎向錨點間距1.5 m，拉索型號為15.2-73、15.2-61，采用冷鑄錨張拉。斜拉索錨固于箱型主梁翼板下方的楔形錨固塊上，同時在錨固塊處設置箱內橫隔板，橫隔板設橫向預應力，橫向預應力布置如圖2。由于該橋跨度大，索數少，單根最大索力達到7 964 kN，索力如表1。

2 有限元模擬

該文分析的計算工況：拉索初張工況（工況1）、成橋恒載工況（工況2）、主+附最不利荷載工況（工況3）。分析項目：錨固塊局部主應力、錨固區橫向拉應力、錨固區箱體應力狀態。

選取了最靠近主塔且單束索力最小的A1索梁錨固區、中點處的A5索梁錨固區、最遠離主塔且單束索力最大的A9拉索對應的索梁錨固區，建立索梁錨固塊和鄰近的2段主梁的實體模型。模型分為鋼筋混凝土箱體、鋼筋混凝土橫隔板、鋼筋混凝土錨固塊、鋼制錨墊板及預應力鋼束5部分。經分析發現，A9拉索索梁錨固區受力最控制，故下文僅闡述A9索梁錨固區結果，A9索梁錨固區構造如圖3、圖4。

預應力鋼束采用力筋法模擬，使用桿單元模擬預應力鋼束，并通過節點耦合的方式與混凝土體剛性連接，而除預應力鋼束的其他部分采用8節點實體單元模擬[7]。由于力筋法模擬預應力鋼束會造成預應力鋼束周邊混凝土單元的應力過大，該橋結構預應力均采用后張法施工，故由力筋所導致的應力過大不存在實際意義，在分析中對涉及預應力鋼束的部件不以此最大應力為判定條件。

模型邊界條件分為兩類，在進行索梁錨固區局部應力及錨固塊局部應力分析時，選擇箱體靠近主塔的一面并約束其所有自由度，形成懸臂結構;在計算錨固塊處橫向聯系的局部應力時，為盡可能模擬橫隔板與錨固塊在橫橋向受彎時的受力狀況，選擇箱體靠近主塔的一面并約束其順橋向位移，同時約束箱體兩側底板下緣線的豎橋向、橫橋向位移。

預應力采用等效溫度法施加，通過在錨墊板與螺母的接觸面上施加等效法向面荷載實現索力施加。為盡可能模擬局部節段的實際受力情況，箱體自由端一側建立一參考點，并將其與箱體自由端表面形成剛性域，通過對參考點施加軸力與彎矩的方式，將軸力與彎矩均勻的施加至箱體自由端表面。模型中自重荷載通過施加慣性加速度實現，重力加速度g=9.806 m/s2，其他二期恒載及活載均作為面荷載或線荷載施加于箱梁頂板相應位置。

3 計算分析

3.1 錨固塊局部主應力

由圖5可知，在最不利工況中，錨固塊最大主壓應力達到了96.3 MPa，超過了C55混凝土容許壓應力，但超限主壓應力僅出現在空腔邊緣極小范圍，屬于有限元分析中的應力集中現象，不存在實際意義，不以此局部最大主壓應力作為受力安全的判定條件。除空腔邊緣外，錨固塊其他部位主壓應力均小于19.1 MPa，均小于C55混凝土容許壓應力，處于安全范圍以內。

3.2 錨固區橫向拉應力

由圖6～圖9可知，除預應力鋼束錨固區，所有工況下，錨固塊在橫橋向處于全截面受壓狀態，無論最大主應力或最大橫橋向應力均無拉應力出現。橫隔板的最大主拉應力為2.24 MPa，最大橫橋向拉應力為1.44 MPa。以不允許結構開裂為控制目標，錨固塊與橫隔板的最大拉應力均小于C55混凝土的容許拉應力0.7fct=2.31 MPa[8]，可以判定結構橫向應力滿足設計要求。在自重、索力與橫向預應力作用下計算其頂板應力，橫隔板處頂板尚保持受壓狀態，不存在開裂風險。

3.3 錨固區箱體應力狀態

對于箱型梁，分別計算三種工況下的應力狀態，其中拉索初張工況分別考慮是否張拉橫向預應力兩種狀態，主+附工況分別考慮軸力最大、彎矩最大、軸力最小、彎矩最小4種情況，由于篇幅所限，僅列出最不利結果如圖10。

由圖10可知，通過先張拉橫向預應力鋼束后張拉斜拉索的方式，錨固塊與腹板交界處的拉應力得到了緩解，但在拉索初張工況下，錨固塊與翼緣板交界處拉應力超過了C55混凝土的容許拉應力0.7fct=2.31 MPa，其中最大拉應力達到了5.32 MPa。在翼緣板與錨固塊交界處額外增設縱向鋼筋且保證足夠的錨固長度，可進一步降低局部拉應力、裂縫寬度。通過裂縫寬度驗算之后發現，在翼緣板下緣設置直徑為22 mm、間距為125 mm的縱向HRB400鋼筋情況下，該處最大裂縫寬度為0.176 mm，小于0.2 mm的規范允許值，符合安全性需求。在主+附工況下，結構基本保持全截面受壓狀態，結構局部拉應力不超過0.30 MPa，符合結構安全性需求。

4 結語

該文通過對某高速鐵路（2×132 m）T構矮塔斜拉橋索梁錨固區作實體有限元分析獲得以下結論：

（1）索梁錨固區受力復雜，采用實體有限元方法分析錨固塊、橫梁、主梁頂板的應力狀態是非常有必要的，分析結果可用于校核設計安全性并指導優化設計。

（2）在橫梁設置橫向預應力可有效降低橫隔板局部拉應力，降低錨固塊與腹板橫向拉應力。鐵路矮塔斜拉橋的拉索索力普遍偏大，錨固塊與翼緣板交界處拉應力偏大，可采用加強此處順橋型普通鋼筋的方式減小順橋向拉應力、裂縫。

參考文獻

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[2]劉世忠， 歐陽永金. 獨塔單索面部分斜拉橋力學性能及建設實踐[M]. 北京：中國鐵道出版社， 2006.

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[7]黃俊豪， 劉世忠， 任萬敏， 等. 鐵路矮塔斜拉橋新型頂板錨固塊結構優化[J]. 蘭州工業學院學報， 2016（1）： 12-15+38.

[8]鐵路橋涵設計基本規范： TB10002.1—2005[S]. 北京：中國鐵道出版社， 2005.

收稿日期：2022-03-16

作者簡介：雷敏（1983—），男，工學碩士，高級工程師，研究方向：大跨度橋梁。