钢-混凝土组合截面斜拉桥索塔锚固区受力分析.pdf

8 8 桥梁结构 城 市道桥 与防洪 2 0 1 4 年 8 月第 8 期 钢 一混凝土组合截面斜拉桥索塔锚固区受力分析 王斌 ( 武汉 市政工 程设计研究 院有 限责任公 司 ，湖北 武汉 4 3 0 0 1 5) 摘要 ： 该 文将钢一 混组 合结构锚 固区受力 问题视为平 面问题 ， 对两种 目前 应用 的钢一 混组合 结构锚 固 区形式 分别 取索塔 节段建 立了平面杆件模型， 利用变形协调原理推导了钢结构与混凝土部分的水平受力分配关系及相应计算公式， 然后通过有限元程序 对算例进行计算， 验证了公式准确性。 结果表明： 两者的受力分配关系与构造相关 ； 索力水平分力主要通过钢侧板拉伸变形与混 凝土结构的弯曲变形来传递与分配； 取决于构造尺寸的混凝土结构部分的剪切及拉伸变形仅 占次要部分； 钢锚箱侧板承担了大 部分索力水平分力 ， 混凝土结构部分仅承受小部分。 关键词： 斜拉桥； 钢一 混组合截面； 索塔锚固区； 受力传递； 受力分配 ； 有限元 中图分 类号 ： U 4 4 1 5 文献标识 码 ： A 文章 编号 ： 1 o 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 4) 0 8 0 o 8 8 0 5 1 钢 一混组合截面索塔形式概述 顺桥向的剪力。 近年来 我 国的斜拉 桥 索塔 锚 固区开 始 采 用 钢一混组合截面的结构形式 ，比如杭州湾跨海大 桥、江苏苏通大桥等。钢 一混凝土组合截面索塔 的构造一般为，采用混凝土材料的索塔与承受斜 拉索直接作用的钢锚箱，两者通过焊接在钢锚箱 上 的剪力连接件( 通常为栓钉 ) 被连接在一起 。 其锚固区受力相当明确 ，斜拉索的斜向拉力 通过钢锚箱传递到锚固区，斜拉索的水平分力 由 钢锚箱的侧钢板承担 ，不平衡 的水平力及斜拉 索 的竖 向分力 由索塔混凝土结构部分承担 ，便 这 样发 挥 了钢 材 良好 的抗拉 能力 与混 凝 土 良好 的抗压 能力 ，同 时尽可 能地 回避 了钢 材在 受 压 情况下容易失稳的缺点和混凝土受拉状态抗裂 性 能差的缺点 。 钢 一混凝土组合截面索塔结 构形 式一般有图 1 的两种形式。 如图 1 ( a ) 所示 ， 钢锚箱设置于索塔 混凝 土结构部分 内部 ， 索塔从上 到下 为完整筒体 ， 这种形式为内置式钢锚箱； 如图 1 ( b ) 所示， 钢锚箱 设置于索塔混凝土部分中间，顺桥向将索塔分为 两个“ c ” 形状的半围合截面 ，可以从索塔外看到 钢锚箱 ，这种形式 为外露式钢锚箱 。两者受力特 点大致 相 同，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 高度方向的剪力，又要传递索塔和钢锚箱之间沿 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 一 o 4 0 2 作 者简介 ： 王斌 ( 1 9 8 2 一) ， 男 ， 河北衡 水人 ， 工 程师 ， 项 目经理 从 事桥梁 工程试验研 究与检 测工作 。 2 索塔锚固区受力分析 2 1 内置式钢锚箱荷载传递与分配 2 1 1 内力与变形分析 对于内置式钢锚箱 ，斜拉索索力作用在其上 后，索力的竖直分力通过剪力连接件传递到混凝 土结构 ，水平分 力 由钢锚箱 的侧板 与混凝 土结构 共 同变形后承担。 由于混凝 土索塔前墙 与钢锚箱 端板的交接段的局部变形对混凝土及钢锚箱侧板 的变形没有影响 ，故对其不作考 虑 ，因此变形 的 控制点为混凝土前墙与钢锚箱侧板的交接位置点 S处 。 如图 2 所示 ，混凝土结构部分受拉后，整个 截面以钢锚箱中轴为对称轴发生弯曲变形，即挠 度变形 ；索塔侧壁 由于偏心受拉 ，产生了拉伸 变形 ： ，由于在挠度变 形 中考 虑 了侧壁 的弯 曲 ， 因此 可近似将侧 壁 的偏 心受拉按 轴心受拉 处理 ； 混凝土前墙可视为 中间受垂直分布荷载 的梁 ，由 于其高跨比较大，故对其有必要考虑其剪切变形 。 。钢结构部分 的钢侧板在索力水 平分力作用 下 发生拉伸变形 。各变形的关系为 ： s = 1 + 2 + 4 3 ( 1 ) 2 1 2 简化计算模型 在索塔竖直方向取标准节段高度 ，由于索塔 截 面及荷载均对称 ，可仅分析半结构 ，截 面受 力 如 图 3所 示 。对 于 图 1所示 的索塔 ，均为 双 索 面，令索力水平分力为 F ，由于钢锚箱端板处及 与其 相交接 的混凝土前墙 部分均对变 形控制点 |s 处的变形无影响，则可以将索力简化视作集中力 处理 ，则索力水平分力为集中力 2 F ；P为混凝土 侧壁拉力；T为钢锚箱侧板拉力；q 为钢锚箱端板 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年 8 月第 8 期 城 市道桥 与防 洪 桥梁结构8 9 混凝 土索塔 侧 壁 混凝 土索塔 前墙 ( a ) 内置式 钢锚 箱 索塔前 墙 。 ， 孵 力 连 接 件 匕 l n l I 窖 钢 锚 箱 端 板 l 钢 锚 侧 板 r I ， 混凝 土索 塔侧罐 脱鞋 1 ： 票塔 前墙 ( 1 ) 外露 式钢锚 箱 图 1 钢一混凝 土组合 截面 索塔 结构 形式 示意 图 与混凝土索塔前墙问传递的分布力。对于单索面 的情 况 ，则索 力 水平 分 力 可直 接 视 为集 中力 处 理 ，其他与双索 面并无 区别 ，故 不再赘述 。此处 及 下文的分 析计算均针对双索面的情 形。 结构各部分尺寸如图 4所示，混凝土索塔前 墙厚度为 d ，混凝土索塔侧壁厚度为 d ，混凝土 索塔 顺 桥 向长 度 为 d + 2 l ，横 桥 向 宽度 为 d + 2 b ， 钢锚箱侧板长度 为 2 l S ，端 板宽度为 2 口 ，标 准索 图 2 索塔 截面变形 示意图 图 3 索塔截 面受力 示意图 塔节段高度为标准索距 h 。 ， l 、 ， 2 分别为标准索塔节 段高度前墙竖 向截面与侧壁竖 向截面惯性矩 ，A 、 A 分别为标准索塔节段高度前墙竖向截面与侧壁 竖 向截 面面积 。 I 呈 一 标准 节段 锚固 区平面图 前 墙 前墙 图 4 标 准节段 尺寸示意 图 对 如图 3的半结 构 ，根据对称原则继续 简化 得到计算模型如图 5 ( a ) 所示 ，经计算 ，对于混凝 土前墙 与钢锚 箱侧板 的交接角点 ，即 S点 处的位 T _ _ =! J T， _ 1 如 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 0 桥梁结构 城市道桥与防洪 2 0 1 4年8 月第8 期 移，采用图 5 ( a ) 的计算模型与图 5 ( b ) 的计算模 型得到的结果相差很小，但后者的计算要比前者 方便得多，故采用图5 ( b ) 的计算模型作为简化计 算模型。 卜_l 图 5 简 化 计 算 模 型 ， 2 1 3 变形与荷载分配关系计算 如图5 ( b ) 基本体系，经计算求得弯矩图，对 于变形控制点 s ，取索塔标准节段高度用虚功原 理分析 ，则混凝土结构部分在单位力作用下挠度 变形为 ： ( b - 口 ) K 2 b + 口 ) 一 3 C 1 1 ( b C g b - a ) ( 2 ) ， = 一十- - - - - - - - - 一 、 6 e i , ( 2 aI E , +l ) I = - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - = 一 l 髓 ) 式中 ： E为混凝土弹性模量 ，为表达式整齐 ，基本 体系在单位力作用下 P处杆端弯矩以 C表示。 单位力作用下混凝土索塔侧壁拉伸变形为 ： 6 2 = l E A 2 ( 3 ) 混凝土索塔前墙剪切变形为 ： 8 3 = k ( b - a ) G A1 对 于矩 形截 面 ，切 应变 形状 系数 k = 6 5 ，根 据规范，剪切弹性模量 G = 0 4 E ，则 ： 6 = 3 ( b a ) E A1 ( 4 ) 对于钢锚箱侧板 ，忽略其抗弯抗剪的影响 ， 则其在单位力作用下拉伸变形为： 8 s = l J E e t s ( 5 ) 为钢材弹性模量 ， A 为钢板横截面面积。 则在索力作用下各部分的变形分别为： 1 + l 2 + l 3 = ( 6 ) A s = T 6 c ( 7 ) 又 ： - - 3 c ( 8 ) F = T + P ( 9 ) 其 中： = 6 。 。 联立( 6 ) ( 9 ) 得钢锚箱侧 板承担的索力水平分力为 ： l + 艿 c ) ( 1 0 ) 2 2外霹式钢锚箱荷载传递 与分配 2 _ 2 _ 1 变形分析 对 于外 露式 钢锚箱 ，其受力与变形情况 内置 式钢锚箱类似 ，此处不再赘述。 考察 内置式钢锚箱锚 固区在受拉 时的变形 情 况 ，对称于钢锚箱中轴线 ，混凝土前墙发生对称 的弯曲变形 ，中轴竖向的混凝土截面是没有相对 转角位移的；而对于外露式钢锚箱 ，钢锚箱将混 凝土索塔顺桥向分割为两部分 ，虽然在受拉时仍 是对称变形 ，但由于钢锚箱的存在 ，索塔混凝土 前墙与钢锚箱交接处竖 向截面 由于钢锚 箱变形发 生转角位移 ，如图 6所示 。 图 6 外露式钢 锚箱索塔 截面变 形示意 图 2 - 2 2 简化计算模型 由于索塔截面及荷载均对称，取半结构分析， 截面受力如图 7所示 。类似于上节的分析 ，2 F为 索力水平分力；P为混凝土侧壁拉力；T 为钢锚箱 侧板拉力； q 为钢锚箱侧板端部与混凝土索塔前墙 端部 间传递 的切 向分布力 。由上 文分析知 ，索塔 混凝土前墙与钢锚箱交接处竖向截面发生转角位 移 ，因此 ，保守地将索塔混凝土与钢锚箱侧板交 接 面视为交接 ，对半结构根据对称 原则继续简化 得 到计算模 型如 图 8所示 ，其 中 P为 q沿截 面方 向的合力 ，即 P = q d ，各几何尺寸如 图 9所示 ， 与 内置式 钢锚 箱形 式 符号 规定 一 致 ，故 不再 赘 述 。 2 2 3 变形与荷载分配关系计算 对于结构变形控制点 Is ，取索塔标准节段高 度，则混凝土结构部分在单位力作用下挠度变形 为 ： 8 1= 蔷 + ) T ，上T _叫 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4 年 8 月第 8 期 城 市道桥 与防 洪 桥梁结构9 l 图 7 索塔载 面受 力示 意图 _ - 一 一l 4 图 8 简化 计算 模型 2 口 t d I t I 圈 9 标 准 节 段 尺 寸 示 意 图 混凝土索塔侧壁拉伸变形为 ： 8 2 = l E A 2 ( 1 2 ) 混凝土索塔前墙剪切变形为 ： 8 3 = 3 b E Al ( 1 3 ) 钢锚箱侧板在单位力作用下拉伸变形为： 8 s = l J E s A s( 1 4 ) 则在索力作用下各部分的变形分别为： c = 1 + 2 + 3 = P 8 c ( 1 5 ) &= T S s ( 1 6 ) s = c ( 1 7 ) 又 ： P ( 1 8 ) 其中， 。 。+ 艿 2 + 。则可得钢锚箱侧板承担的 索力水平分力为 ： r = r ( 1 龇)( 1 9 ) 3 理论与有限元算例结果对比 3 1 内置式钢锚箱 算例结果 3 1 1 理论公式计算结果 锚固区索塔截面尺寸如图 1 0 所示，标准节段 高度为 2 5 m，锚箱侧板高度和混凝土侧壁高度 相 同 ，厚 度为 3 0 m m，混凝土标号 为 C 5 0 ，查 规 范得 E=3 4 5 G P a ，钢材 弹性 模 量 E s = 2 0 6 G P a ， b = 3 4 m， = 4 m， a = 1 2 m ，l s = 3 5 m，A1 = 2 5 m ， A 2= 3 m 2 ，A s= 0 7 5 m E ，索力 r = 3 o o o k N ，代人式 ( 2 ) 式( 1 0 ) ，得 2 4 1 0 k N ，若不考虑混凝土结 构侧壁拉伸变形及前墙剪切变形则 9 = 2 3 4 4 k N， 若不考虑混凝土结构侧壁拉伸变形 2 3 9 0 k N， 若不考虑混凝土结构前墙剪切变形 2 3 6 8 k N 。 锚 周 区立 面图 图 1 0 内置式 锚固 区尺 寸示意 图 3 。 1 2 有限元模拟计算结果 取如 图 1 1所示半结 构 ，利用 A N S Y S进行模 拟计算 。混凝土结构索塔采用实体单元 S O L L I D 4 5 ，钢锚箱采用板壳单元 S H E L L 6 3 ，几何尺 寸及材料 属性与上节相同 ；混凝 土泊 松 比取 0 2 ， 钢材泊松 比取 0 3 ；荷载为均布荷载，施加在钢 锚箱端板上，合力 2 F = 6 0 0 0 k N ；混凝土结构对 称面除横桥向位移外其余 自由度均约束，钢侧板 全部 自由度约束。计算结果 ： 2 3 8 3 k N 。 3 1 3结果对 比( 见表 1 ) 由表 1 可知，理论计算结果和有限元计算结 果很接近 ，验证了理论计算的准确性 ；由结果可 见混凝土结构部分拉伸及剪切变形对结果的影响 不大 。 T 上 T T T r上 T 上T 上 蚰 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 2 桥梁结构 城 市道桥与 防洪 2 0 1 4 年 8 月第 8 期 图 1 1 内置式有 限元半 结构计 算模 型 表 1 内置式 钢锚 箱算例 结果对 比表 计 算 结 果 钢 磊 ANS YS 理论结果T I T 1 2 3 2 3 8 3 2 4l 0 2 3 4 4 2 3 6 8 2 3 9 0 7 9 4 2 8 0 - 3 3 7 8 1 5 7 8 9 4 7 8 6 5 0 91 1 - 2 7 0 4 8 - 0 7 7 3 2 外 露式钢锚箱算例结果 3 _ 2 1 理论公式计算结果 锚 固区索塔截面尺寸如图 1 2所示 ，标准节段 高度为 2 5 r n ，锚箱侧板高度和混凝 土侧壁高度相 同 ，厚 度为 3 0 m m，混凝土 与钢材与上节 算例相 同，b = 2 2 m，其余计算参数与上节相同，代入式 ( 1 1 ) 式 ( 1 9 ) ， 得 T = 2 7 1 6 k N，若不 考虑混凝 土结 构侧壁拉伸变形及前墙剪切变形则 =2 7 0 1 k N， 若不考虑混凝土结构侧壁拉伸变形 7 1 = 2 7 1 1 k N， 若不考虑混凝 土结构前墙剪切变形 2 7 0 7 k N。 量 _ l 。 莩 l ， 。 。 。 1 、 9 I 】 ( 】 锚 区立丽 罔 图 1 2 外霹式 锚 固区尺寸 示意 图 3 - 2 2 有 限元模拟计算结果 取如图 l 3所 示半结构 ，利用 A N S Y S进行模 拟计算 。采用单元类 型 ，几何 寸及材料 属性于 上节相 同；荷载 为均布荷载 ，分 别均匀施 加于混 凝 土索 塔前 墙 两端 面 上 ，合 力 为 2 F = 6 0 0 0 k N； 混凝土结构对称 面除横桥 向位移外其余 自F 1 度均 约束 ，钢侧板全部 自由度约束 。计算结果 T = 2 6 67 kN。 图 1 3 外 露式有 限元半结构 计算模型 3 2 3 结果对比( 见表2) 表 2 外露式 钢锚箱 算例结 果对 比表 由表 2可知 ，理论计算结 果和有 限元计算结 果 比内置 式钢锚 箱误差要 略大 ，但仍 比较 准确 ； 同样 的 ，混凝 土结 构部分拉伸及剪切变形对结果 的影响不大。 4结论 ( 1 ) 可 以预计 ，索塔 锚 固区采用 钢 一混组 合 截 面结 构形式将 会是我 国大跨度斜拉桥索塔锚 固 区采用结构形式在今后 的发展趋势 。 ( 2 ) 钢 一混组 合截面结 构形 式斜拉 桥索塔 锚 固 区通 过钢锚 箱承担 索 力 ，受 力形式 相 当明确 。 通过分析计算可知 ，索 力水平拉 力大部分 南抗拉 能力较好 的钢结构 ，即钢锚箱侧板 承担 ，小部分 由混凝土结构部分承担 ；索力竖向分力，由抗压 能力较好 的混凝土结构部分承担。 ( 3 ) 理论计 算及 有 限元 模拟 结果表 明 ，在索 力作用下混凝土结构 变形 主要 为弯曲变形 即挠度 变形 ，混凝土结构拉伸变形及剪切 变形为次要变 ( 下转 第 9 5页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4 年 8 月第 8 期 城 市道桥 与防 洪 桥梁结构9 5 该桥 在考 虑均匀 温度 作用 时 ，未进 行折 减 。 另 由于近年来 ，气温 常常失 常 ，时有暴冷暴 热现 象出现，局部地区最高气温已达到4 2 ，路面最 高温度可达 7 0 。在如此高的温度下，很多既有 桥梁也产生 了因温度作用引起病害 。为保证安 全，该桥实际温度取值为最高 4 5 ，最低 一 5 。 2 4 2 合拢温度 的选定 鉴于 V型墩连续 刚构桥 的受力 特性 ，温度作 用效应占比较大，且在约束区梁体在均匀升降温 时，其截面应力变化较均匀，因此 ，合理选择合 拢温 度意 义重大 。一般 混凝 土结构抗 压性 能好 ， 而抗 拉 性 能较 差 ，为发 挥混 凝 土较 好 的抗 压 性 能，选择较低的合拢温度是合适的。 该桥经过试算 ，选定合拢温度 为 l 0 ，全桥 受力性能较好地满足规范要求。 2 5 内力调整 超静定结构在合拢时可采用外力对结构内力 进行调整，以使结构受力合理。一般情况下 ，可 采用两种方法 ，一是在合拢 口进行顶推，主要用 于当合拢温度偏高时 ，为使结构受力符合合拢 时，计算的受力状况；二是当结构受力复杂 ，调 整预应力束很难使结构符合规范要求，可采用配 重对其进行调整。该方法也可用于调整连续刚构 桥及 V型墩刚构桥墩身受力 。 该桥采用配重方法对结构 内力进行调整 。在 ( 上接 第 9 2页) 形 ，但 由于结构变形特性与结构几何 材料特性有 关 ，对于不同得尺寸材料下的索塔结构形式 ，拉 伸与剪切变形应当有所考虑 。 ( 4 ) 通过变形协调原理，对简化计算模型进行 计 算推 导 出钢锚 箱侧 板承 担索力水 平分 力公式 ， 即得到了水平索力的分配关系，并与有限元计算 结果对比，两者吻合度较高 ，内置式钢锚箱与外 露式钢锚箱的理论计算结果与有限元计算结果误 差均 在 2 以内 ，可 见理 论公 式 的准 确性 较 高 ， 建立的计算简化模型具有较好的可适用性。综上 述，对于钢 一混组合截面结构形式斜拉桥索塔锚 固区的计算分析 ，采用变形协调原理和结构力学 中跨合拢时，在边 V墩内侧进行配重调整，经试 算 ，取用配重 1 5 0 0 k N时 ，结构受力满足规范要 求 ，且 V墩两墩身受力较均匀 。 3结语 V型墩 连续刚构结 构受力较复杂 ，特别是均 匀温度作用影响结构受力较大，当基础为嵌岩的 刚性扩大基础 ，且为多跨结构时，可采用适当增 大边跨、增大墩身倾角及降低合拢温度等措施减 小温度作用影响。适当增加顶板厚度，可充分发 挥混凝土抗压 能力 强的优 点 ，易于结构配置预应 力钢索 。在合拢时 ，施加配重 ，可调整结构内 力，使结构受力合理，降低费用。 参 考文献 【 1 】 范立 础 桥 梁工程 【 M】 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 1 9 9 6 2 】 耿贵刚， 严允忠 混凝土桥梁的温度效应探讨 J 】 _ 贵州工业大 学学报( 自 然科学版) ， 2 0 0 6 ， 3 5 ( 5 ) ： 9 2 9 5 【 3 苏高裕 东莞市石龙镇南三桥主桥 V型墩连续刚构设计体会 【 J 】 广东公路交通 ， 2 0 0 7 ， 9 8 ( 1 ) ： 3 5 3 7 4 4 王战 国大跨 径预 应力混 凝 土 V型墩 连 续刚 构桥 的静 力分 析 与工 程控制 【 D】 杭 州 ： 浙 江大学 ， 2 0 0 3 【 5 】 王卫国， 等 V 型墩预应力连续刚构桥的总体设计 J 江苏交 通科技， 2 0 0 5 ， ( 2 ) ： 1 2 1 4 【 6 】 梁吉学，李闻涛 V型墩连续刚构桥角度变化的影响分析 J 山西建筑 ， 2 0 0 9 ， 3 5 ( 1 2 ) ： 3 3 8 3 3 9 简化杆件模型进行简化分析及预估计算，是一种 简便可行的方法 ，结合实际情况采用，对工程实 际有一定参考价值 。 参 考文献 1龙驭球， 包世华 结构力学教程【 M 】 北京： 高等教育出版社 ， 2 0 0 0 【 2 】 fig D 6 2 2 0 0 4 ，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规 范【 S 】 【 3 】 汪听，吕志涛 斜向索力下钢一 混凝土组合索塔锚固区荷载传 递 与分配关系分 析 J 东南 大学学报 ( 自然科学 版 ) ， 2 0 0 6， 3 6 ( 4) 【 4 】 苏庆田， 曾明根 斜拉桥混凝土索塔钢锚箱受力计算【 J 】 结构 工程师， 2 0 0 5 ( 1 2 ) ， 2 l ( 6 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m