斜塔鋼混組合索塔鋼錨箱空間分析

大連紅葉海景觀工程2號(hào)景觀橋位于濱海公路經(jīng)過(guò)紅葉海社區(qū)。這是一座采用塔、梁、塔相結(jié)構(gòu)的單塔斜混凝土橋。該橋設(shè)計(jì)荷載為公路I級(jí)。因該橋是濱海公路上一座景觀橋,為得到協(xié)調(diào)、通透的景觀效果,根據(jù)方案設(shè)計(jì)與業(yè)主要求,索塔應(yīng)纖細(xì)、輕盈、有美感。又因該橋工期較緊,有效工期僅為6到7個(gè)月,所以拉索區(qū)采用鋼混凝土組合結(jié)構(gòu),鋼索塔一次性吊裝的設(shè)計(jì)方式以滿足較為緊張的工期。1主梁及索塔布置本橋主跨跨徑為55m,邊跨跨徑為30m,橋?qū)?2m(12m車行道+5m人行道+5m索區(qū))。主梁采用單箱四室倒梯形箱梁混凝土結(jié)構(gòu),橋軸線處梁高1.8m。索塔橫向?yàn)榈筜型形式,塔高51.35m,下塔柱和中塔柱部分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),上塔柱(拉索錨固區(qū))采用鋼箱結(jié)構(gòu),外包混凝土。索面采用扇形布置,主跨內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)索距7.5m,邊跨內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)索距為4m,塔上標(biāo)準(zhǔn)索距為1.5m。圖1為本橋總布置圖。2拉索區(qū)截面的連接在上塔柱范圍,順橋向塔寬為2.5m不變,塔寬在橫橋向的尺寸為變寬度,從塔頂向下的12.5m范圍內(nèi),由頂部的3m向下變到4m。為了保證空間較好的效果,斜拉橋的索塔選擇了較小的截面尺寸,上塔柱截面為(2.5m順橋向)×(3～4m橫橋向)。斜拉橋較小的索塔拉索區(qū)截面尺寸無(wú)法采用傳統(tǒng)的索塔拉索區(qū)的設(shè)計(jì)方式:1)實(shí)體混凝土塔上的交錯(cuò)錨固:若要保證交錯(cuò)拉索互相不干擾,那么拉索區(qū)橫橋向至少要做到5.5m寬,這樣做顯然滿足不了斜拉橋3～4m寬的拉索區(qū)截面寬度。2)空心塔的側(cè)壁錨固:為了保證空心橋塔混凝土不被斜拉索拉壞,需使塔壁具有一定的壁厚,并在空心塔柱的壁板內(nèi)配置預(yù)應(yīng)力鋼筋。但是由于本橋較小的拉索區(qū)截面,若采用直束錨固(井字形錨固),由于錨固長(zhǎng)度較短,無(wú)論是采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線或者是采用精扎螺紋鋼,都會(huì)造成非常大的預(yù)應(yīng)力損失,有效預(yù)應(yīng)力較小;若采用環(huán)形束錨固,在鋼束轉(zhuǎn)彎處曲率半徑較小,造成預(yù)應(yīng)力損失較大,無(wú)法布束。3)上塔柱直接采用鋼塔的方案:由于本橋?qū)坝^性要求較高,且中塔柱和下塔柱均為混凝土塔柱,若上塔柱為鋼塔的話,因材質(zhì)不同,將很大程度地影響本橋的美觀。4)常規(guī)鋼-混凝土組合方案:蘇通大橋采用的斜拉橋索塔錨固方案,在鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)上張拉拉索,組合結(jié)構(gòu)一起參與各個(gè)階段的受力,這樣會(huì)使混凝土內(nèi)存在較大的拉應(yīng)力,混凝土壁板內(nèi)依然需要進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋錨固,但由于方案2)所述原因,導(dǎo)致本橋塔混凝土壁板內(nèi)布束不可取。鑒于以上的分析,斜拉橋的索塔上塔柱將采用鋼箱-混凝土的組合形式索塔。外包混凝土部分在索力張拉結(jié)束后再澆筑,在活載和其他可變荷載作用下與鋼箱一起聯(lián)合受力。本橋斜拉索錨固在上塔柱12.5m高的范圍內(nèi),由于鋼錨箱方案較預(yù)應(yīng)力混凝土錨固方案每延米輕很多,大大地緩解了索塔的鞭效應(yīng),對(duì)索塔和基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)有利。同時(shí)鋼錨箱方案具有傳力路徑簡(jiǎn)單直接,受力均勻,預(yù)制質(zhì)量有保證,拼裝施工方便,結(jié)構(gòu)耐久性好等優(yōu)點(diǎn),加之如圖2所示的新穎的鋼錨箱構(gòu)造能更好地適用于斜拉橋的較小的截面限制。所以斜拉橋采用如圖3所示的鋼錨箱索塔錨固方案。3設(shè)置橫板和橫板圖4中給出了斜拉橋最頂層拉索錨固區(qū)1/4拉索錨固構(gòu)造,它主要由鋼塔壁1,順橋向拉板2,錨墊板3,橫隔板4,橫橋向拉板5組成,構(gòu)造比較簡(jiǎn)單,可以保證錨固區(qū)擁有流暢均勻的傳力性能。當(dāng)本層4根斜拉索張拉的時(shí)候,拉索將強(qiáng)大的索拉力通過(guò)錨杯傳遞給錨墊板3。此時(shí),在錨固區(qū)內(nèi)2塊順橋向通長(zhǎng)的拉板2和橫隔板4分擔(dān)了大部分錨墊板傳遞過(guò)來(lái)的索力,并通過(guò)強(qiáng)大的順橋向拉板緩解了順橋向每組拉索對(duì)鋼塔壁的直接作用,減小塔壁的局部變形。雖然拉索的主要傾斜角度為順橋向傾斜,但在橫橋向也有一定程度的傾斜,這也就對(duì)順橋向拉板輸入了面外的力。于是,在與順橋向拉板垂直的方向焊接橫橋向拉板5以保證順橋向拉板的面外穩(wěn)定。在距離每層拉索理論空間錨固點(diǎn)沿塔高方向向下0.6m設(shè)置橫隔板,橫隔板與順橋向拉板,橫橋向拉板以及鋼塔壁通過(guò)熔透方式焊接,這樣便將拉板內(nèi)較大的索力流暢地?cái)U(kuò)散到橫隔板上,從而更加均勻地?cái)U(kuò)散傳遞至塔壁,解決了拉板對(duì)塔壁過(guò)分集中的作用。值得注意的是,橫隔板的放置位置至關(guān)重要,若橫隔板過(guò)于靠近理論錨固點(diǎn),會(huì)導(dǎo)致索力在橫隔板相交于鋼塔壁處對(duì)鋼塔壁的作用過(guò)分集中;若橫隔板過(guò)分遠(yuǎn)離理論錨固點(diǎn),會(huì)使索力在塔高方向沿順橋向拉板與塔壁相交處對(duì)塔壁的作用過(guò)分集中,需建立有限元模型計(jì)算分析加以比較。除了圖4中給出的各個(gè)板的布置位置以外,應(yīng)在鋼塔壁上布置18道通長(zhǎng)的加勁肋,這樣便增大了鋼塔截面的抗彎慣性矩,并且增大了鋼塔豎向的極限承載力。4模型單元的選取首先對(duì)全橋建立整體模型計(jì)算分析,各階段荷載組合下的拉索索力如表1所示。表1中,邊跨方向拉索自上到下的編號(hào)為A1～A6,主跨方向拉索自上到下的編號(hào)為B1～B6。為確定實(shí)橋結(jié)構(gòu)中鋼錨箱各部件的承載能力和安全儲(chǔ)備,選取斜拉橋頂部拉索索力最大的2層錨固區(qū)(A1,B1;A2,B2)來(lái)進(jìn)行計(jì)算分析。之所以選擇2層錨固區(qū),目的在于分析處于2層錨固區(qū)之間的橫隔板對(duì)擴(kuò)散和平衡強(qiáng)大的拉索力起到的效果,從而確定橫隔板的最佳位置。根據(jù)圣維南原理,建立如圖5所示的有限元模型(為了表達(dá)清晰,圖5中給出的是索塔橫橋向1/2空間構(gòu)造),鋼板厚度如表2所示。節(jié)段模型的仿真計(jì)算分析采用大型通用有限元計(jì)算軟件ANSYS程序。鋼錨箱的各部件采用8節(jié)點(diǎn)殼單元(Shell93)進(jìn)行模擬。網(wǎng)格劃分精度為0.1m。索拉力以面荷載方式加載至相應(yīng)錨墊板表面;對(duì)四周鋼塔壁底端施加線約束。鋼的彈性模量E=2.01×105MPa,泊松比γ=0.3。對(duì)如圖5所示的鋼塔節(jié)段的模擬,可用ANSYS提供的Shell系列單元。但Shell系列的單元有多種,它們各自的行為和產(chǎn)品限制又各不相同。選用適于本模型的Shell單元,是得到準(zhǔn)確的分析結(jié)果的保證。選擇對(duì)Shell63和Shell93單元進(jìn)行比選。Shell63單元為彈性殼,不支持材料非線性和有限應(yīng)變,不計(jì)剪切變形;Shell93單元為結(jié)構(gòu)曲殼,支持材料非線性和有限應(yīng)變,計(jì)剪切變形。對(duì)于高跨比不太小的板件(L/H<10),剪切變形將引起板件的附加撓度,并使原來(lái)垂直于中面的截面變形后不再與中面垂直,且發(fā)生翹曲,因此這種情況必須考慮剪切變形的影響,對(duì)相應(yīng)單元的模擬應(yīng)用支持剪切變形的Shell93單元進(jìn)行模擬。但模型的板件屬于薄板(L/H>50),不必考慮剪切變形,所以僅從是否考慮剪切變形的角度來(lái)講,模型應(yīng)該選用不計(jì)剪切變形的Shell63單元。由于需要分析板件非線性的效果,而且Shell63單元不支持材料非線性和有限應(yīng)變,所以用Shell93來(lái)模擬模型的薄板。如果用支持剪切變形的單元模擬薄板(L/H趨于無(wú)窮大),由于約束條件不能精確滿足,導(dǎo)致夸大了剪切應(yīng)變能的量級(jí),從而會(huì)產(chǎn)生零解,即所謂的“剪切鎖死”(ShearLocking)。為避免剪切鎖死現(xiàn)象,可采用縮減積分、假設(shè)剪切應(yīng)變和替代插值函數(shù)等方法。分別用Shell63和Shell93單元模擬模型的各個(gè)板件并計(jì)算分析,結(jié)果是有一定的差距的?？梢?jiàn)選擇合適單元的重要性。圖6～圖9分別給出了鋼錨箱在成橋組合索力加載以后,各個(gè)主要板件的Von-Mise應(yīng)力分布。長(zhǎng)度單位m,應(yīng)力單位Pa。通過(guò)對(duì)ANSYS的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,橫隔板內(nèi)Von-Mise應(yīng)力范圍從20～130MPa,板件內(nèi)最大位移僅為0.7mm;橫橋向鋼塔壁內(nèi)Von-Mise應(yīng)力范圍從30～190MPa,板件內(nèi)最大位移僅為0.9mm,但在順橋向拉板與橫橋向鋼塔壁接觸處存在較小程度的應(yīng)力集中;順橋向鋼塔壁內(nèi)Von-Mise應(yīng)力范圍從30～120MPa,板件內(nèi)最大位移僅為0.5mm;順橋向拉板內(nèi)Von-Mise主要應(yīng)力范圍從20～120MPa,板件內(nèi)最大位移為0.5mm,但在錨墊板與順橋向拉板相接觸處存在較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,通過(guò)在每組順橋向拉板間焊接平行于拉索方向并與順橋向拉板垂直的加勁板可以緩解此應(yīng)力集中現(xiàn)象。從圖6～圖9可見(jiàn):合理地分析各個(gè)板件的相互關(guān)系擬建立的模型,在進(jìn)行有限元計(jì)算分析后,較好地驗(yàn)證了之前的受力機(jī)理假定。索力在橫隔板,橫橋向鋼塔壁,橫橋向拉板以及順橋向拉板內(nèi)分配得較好,并均勻地?cái)U(kuò)散到鋼塔壁,盡管在錨墊板下的順橋向拉板有一定程度應(yīng)力集中,但順橋向拉板大范圍內(nèi)的應(yīng)力較小,且均勻。5頂層拉索的應(yīng)力筋因?yàn)殇撍谕獍炷凛^薄,為了控制混凝土的拉應(yīng)力在允許的范圍內(nèi)。待斜拉索安裝并張拉完畢后,再現(xiàn)場(chǎng)澆注上塔柱的外包混凝土部分。也就是說(shuō)混凝土只承擔(dān)在使用階段的汽車荷載等活荷載。從表1所示,對(duì)于頂層拉索A1,從成橋到使用階段單根索拉力的增值為(8255-6920)/2=667.5kN。鋼塔壁與混凝土之間設(shè)置剪力釘,為保證外包混凝土在溫度、收縮、徐變下保證一定的壓應(yīng)力,在外包混凝土中設(shè)置如圖10所示的豎向的預(yù)應(yīng)力筋。以plane82(8節(jié)點(diǎn)板單元)建立的組合橋塔半截面模型,并將由活荷載產(chǎn)生的索拉力的分力作用于順橋向鋼塔壁和橫橋向鋼塔壁,如圖11所示。圖12給出了由活荷載產(chǎn)生的拉索力作用于鋼塔壁時(shí),外包混凝土內(nèi)的應(yīng)力分布,從圖12可見(jiàn),主要應(yīng)力(Von-Mise)為1MPa左右的拉應(yīng)力,滿足規(guī)范要求。6鋼拉橋塔和混凝土組合結(jié)構(gòu)的施工影響a.對(duì)于索塔拉索區(qū)塔截面較小的情況可以采用所示的多正交板件均布傳力的方式,經(jīng)過(guò)有限元模型分析,應(yīng)力傳遞均勻,效果較好,應(yīng)力范圍都在100MPa左右。b.通過(guò)對(duì)全橋建立整體模型,斜拉橋塔采用鋼塔,顯著降低了拉索區(qū)的重量,對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)有利。c.橋塔的設(shè)計(jì)方式很