斜拉桥混凝土索塔钢锚箱受力计算

1 概 要
近年来世界上已建和在建主跨大于 800m 的 斜拉桥已有数座[1 ,2 ] ,建设中的苏通大桥主跨为 1088m ,使得斜拉桥的跨径超过了 1000m 。斜拉 桥跨度的增加导致了索塔的高度随之增加 ,也使 得斜拉索承受较大的拉力 ,如果整个索塔采用混 凝土材料 ,则由于混凝土的抗拉性能较差 ,索塔的 截面和壁厚要很大并且要配置相当数量的预应力 钢筋才能满足受力要求 ,这时施工难度和工程造 价随之提高[3 ,4 ] 。如果整个索塔采用钢材 ,由于 钢材的抗拉性能较好 ,可以很容易设计使得索塔 锚固区满足受力要求 ,但采用钢材后会使得工程 的造价有所提高 。如果索塔采用混凝土 、锚固区 采用钢材 ,用于斜拉桥索塔中时可以充分利用两 种材料的性能 ,既满足索塔的受力要求 ,又降低了 工程的造价 ,因此 ,这种混凝土索塔钢锚箱结构形 式是一种较合理的结构形式 。本文介绍了两种常
图 5 实体结构的有限元模型图
表 2 中列出了混凝土塔壁的同一位置的最大 应力和钢侧板分担拉索水平拉力的比例 ,对于内 置式钢锚箱在表 2 中的位置 1 ～7 见图 4 (a) 所 示 ,外露式钢锚箱在表 2 中的位置 1～6 见图 4 (b) 所示 ,其中钢侧板分担的比例是用钢侧板承受 的水平拉力除以斜拉索的索力水平分力 。由表 2 看出 :顺桥向混凝土塔壁的应力结果内置式的要 比外露式的小 ,横桥向混凝土塔壁的应力结果内 置式的要比外露式的大 ,二者钢侧板分担的斜拉 索索力的水平分力比较接近 。
Abstract The st ruct ural form of concrete pylon steel2anchor2box has been applied in t he anchorage zone of a large span cable2stayed bridge , because it has advantages of clear mechanical pattern and convenient con2 st ruction. Two kinds of st ruct ural forms t hat were usually used in engineering were int roduced and t heir spacial models based on Sutong bridge were established respectively. The mechanical result s of different models were obtained and usef ul conclusions were provided after comparing t he mechanical result s. Keywords cable2stayed bridge ,concrete pylon ,steel2anchor2box ,finite element
图 4 Biblioteka Baidu凝土索塔钢锚箱结构尺寸图 (单位 :mm)
412 计算结果
由于混凝土索塔钢锚箱的构造复杂 ,为了更 准确地计算各部分的应力 ,本文采用 Ansys 程序 建立空间实体有限元模型进行计算 ,计算时假定 :
(1) 所有材料为理想弹性 ; (2) 混凝土与钢锚箱之间的连接可靠 ,能够 保证二者共同工作 。 混凝土弹性模量 E = 3. 3 ×104M Pa ,泊松比 υ= 0. 1667 ,钢材弹性模量 E = 2. 01 ×105M Pa ,泊 松比υ= 0. 3 。 苏通 大 桥 的 斜 拉 桥 索 塔 承 台 以 上 高 度 为 300. 4m ,锚固区部分的高度为 74. 2m ,建立整个 索塔的全真有限元模型是很困难的 ,即使模型能 建立但其计算成本也是非常高的 。考虑到索塔锚 固区的受力特点 :首先 ,在所有斜拉索索力作用下 整个索塔会产生整体的顺桥向和横桥向变形 ,其 次 ,钢锚箱受到斜拉索的强大索力作用板件产生 的主要是局部变形 ,同时混凝土塔壁节段产生的 水平方向上的相对变形 。其中对钢锚箱起到控制 作用的是板件的局部应力 ,对混凝土塔壁起到控 制作用的是水平方向的拉应力 ,在多组斜拉索索 力作用下锚固区段的混凝土塔壁是平面应变 。因 此 ,可以取出部分锚固区节段进行计算 。根据表 1 知道斜拉索的索力由顶部最大向底部逐渐减 小 ,同时斜拉索与竖向的交角由最大向底部逐渐 减小 ,因此顶部的钢锚箱和混凝土产生的应力最 大 ,故取顶部的节段进行建模计算 。根据文献[ 5 ] 建立顶部 8 个索段进行计算可以得到比较精确的 计算结果 。 根据以上分析和计算假定 ,在建立有限元模型 时混凝土塔壁和钢锚箱的钢板用 10 节点四面体单
倾角 55. 0 56. 1 57. 2 58. 0 58. 9 59. 6 60. 3 61. 1 61. 7 62. 2 62. 8 63. 1 63. 6 64. 1 64. 6 64. 8 65. 4
·结构分析· · 31 · 结构工程师第 21 卷第 6 期
元和 8 节点壳单元分别模拟。在混凝土和钢锚箱交 界面处 ,体单元节点与壳单元节点编号不同位置相 同 ,同时位置相同的体单元节点与壳单元节点在空 间三个方向的平动位移 Ux , Uy 和 Uz 分别相同。
建立的内置式和外露式混凝土索塔钢锚箱有 限元模型如图 5 (a) ,图 5 ( b) 所示 ,内置式和外露 式混凝土索塔钢锚箱模型的单元数分别为 61107 个 、61258 个 , 节点数分别为 105651 个 、104797 个 。通过计算可以得到拉力最大索段的混凝土和 钢锚箱中各块板件较详细的应力结果 。
用的混凝土索塔钢锚箱锚固区结构形式和其受力 特点 ,以苏通大桥为例对两种结构形式分别建立 空间实体模型 ,进行了结构的受力分析 ,比较了二 者的区别 。
2 结构形式
工程上常用的两种混凝土索塔钢锚箱结构形 式如图 1 和图 2 所示 。图 1 中的钢锚箱是放置在 索塔混凝土的内部 ,混凝土索塔是一个连续的整 体 ,称为内置式钢锚箱 ;图 2 中的钢锚箱把混凝土 索塔在锚固区分成两部分 ,在索塔的外侧能够看 到钢锚箱的一部分 ,称为外露式钢锚箱 。内置式 钢锚箱和外露式钢锚箱的具体结构构造形式可以 根据实际工程斜拉索的拉力进行具体设计 ,可以 有不同的结构形式 。索塔采用了混凝土材料 ,直 接承受斜拉索拉力作用的是钢锚箱 ,在顺桥向连 接两端钢锚箱的是钢侧板 ,连接钢锚箱和混凝土 索塔构件是焊接在钢锚箱上的剪力钉 。
图 3 苏通大桥索塔布置图 (单位 :cm)
斜拉索索力 (kN) 及倾角 (°) 索号 索力 倾角 索号 索力 倾角
A18 6076 53. 9
J1
4114 2. 8
A19 6076 55. 0
J2
4114 8. 4
A20 6076 56. 1
J3
3787 13. 8
A21 6566 57. 0
J4
Analysis of Mechanical Behavior on Concrete Pylon Steel2Anchor2Box in Cable2Stayed Bridge
SU Qingtian ZEN G Minggen
( Tongji University , Shanghai 200092)
3787 18. 8
A22 6566 57. 8
J5
3787 23. 6
A23 6076 58. 6
J6
3787 27. 9
A24 6076 59. 0
J7
3787 31. 8
A25 6566 59. 5
J8
4114 35. 3
A26 6566 59. 9
J9
4114 38. 3
A27 6566 60. 4 J 10 5095 41. 0
第 21 卷第 6 期 2005 年 12 月
结 构 工 程 师 St ruct ural Engineers
Vol. 21 , No. 6 Dec. 2005
斜拉桥混凝土索塔钢锚箱受力计算
苏庆田 曾明根
(同济大学 , 上海 200092)
提 要 混凝土索塔钢锚箱的结构形式由于其受力方式明确 、施工方便等优点已开始在大跨度斜拉桥 中应用 。介绍两种常用的混凝土索塔钢锚箱锚固区结构形式 ,以苏通大桥为例对两种结构形式分别建 立空间实体模型 ,进行结构受力分析 。 关键词 斜拉桥 ,混凝土索塔 ,钢锚箱 ,有限元
内置式和外露式混凝土索塔钢锚箱结构尺寸 见图 4 所示 。
St ruct ural Engineers Vol. 21 ,No. 6 · 3 0 · St ruct ural Analysis
表 1
索号 索力
A1
5095
A2 4114
A3 3787
A4 3787
A33 7711 62. 3 J 16 6076 52. 5
A34 8528 62. 5 J 17 5095 53. 7
索号 J 18 J 19 J 20 J 21 J 22 J 23 J 24 J 25 J 26 J 27 J 28 J 29 J 30 J 31 J 32 J 33 J 34
索力 5422 5422 6076 6076 6076 6076 6076 6566 6566 6566 7711 7711 7711 7711 7711 8528 8528
A28 6566 60. 8 J 11 5095 43. 5
A29 6566 61. 2 J 12 5095 45. 7
A30 6566 61. 4 J 13 5095 47. 6
A31 6566 61. 8 J 14 5095 49. 4
A32 7711 62. 0 J 15 5095 51. 1
A5 3787
A6 3787
A7 4114
A8 4114
A9 4114
A10 5095
A11 5095
A12 5095
A13 5095
A14 5095
A15 5422
A16 5422
A17 6076
倾角 2. 8 8. 4 13. 7 18. 7 23. 4 27. 6 31. 3 34. 7 37. 7 40. 3 42. 7 44. 9 46. 7 48. 5 50. 0 51. 5 52. 7
·结构分析· · 29 · 结构工程师第 21 卷第 6 期
图 1 内置式混凝土索塔钢锚箱结构形式图
3 受力特性
图 2 外露式混凝土索塔钢锚箱结构形式图
的剪力 ,又要传递索塔和钢锚箱之间沿顺桥向的 剪力 。
混凝土索塔钢锚箱的传力途径很明确 ,斜拉 索的拉力首先传到钢锚箱上 ,再由钢锚箱传到钢 侧板 ,此时斜拉索拉力在顺桥方向的分力可以被 钢侧板承担相当大的一部分 ,其余没有被钢侧板 承担的顺桥方向的分力和斜拉索拉力沿塔高度方 向的分力传给混凝土索塔 ,由混凝土承担 ,这样在 混凝土索塔钢锚箱结构形式中钢材承受了较大的 拉力 ,混凝土承受了较大的压力和较少的拉力 ,充 分发挥了钢材抗拉强度高和混凝土能承受较大压 应力的优点 ,克服了钢材承受较大压应力容易失 稳和混凝土承受较大拉应力容易开裂的缺点 。内 置式钢锚箱和外露式钢锚箱的受力特性总体上相 似 ,主要区别在于内置式钢锚箱的剪力钉主要传 递索塔和钢锚箱之间沿索塔高度方向的剪力 ,与 钢锚箱相连的混凝土索塔内壁直接承受钢锚箱传 来的斜拉索部分水平分力 ,而外露式钢锚箱的剪 力钉既要传递索塔和钢锚箱之间沿索塔高度方向
4 计算实例
411 基本资料 苏通大桥索塔采用单箱单室断面倒 Y 形 ,承
台以上塔高 300. 4m ,顺桥向宽 9～13. 5m ,横桥向 宽 8～10m ,塔柱为钢筋混凝土 ,锚固区为钢筋混 凝土塔壁钢锚箱形式 ,索塔布置图如图 3 所示 。 斜拉索为空间密索型布置 ,在索塔的两侧各布置 了 34 对斜拉索 ,其中底部每侧 4 对 (索号 1～4) 索锚固在索塔的横梁上 ,其余每侧 30 对 (索号 5 ～34) 锚固在钢锚箱上 ,索塔锚固区的钢锚箱共有 30 个钢锚箱 ,距离塔顶 5. 9～84. 1m 总高度为 74. 2m 。斜拉索的成桥运营状态的索力及斜拉索 与竖向夹角见表 1 。