上海长江大桥索塔锚固区模型试验与分析研究.doc

摘要
摘要
斜拉桥索塔锚固区是将斜拉桥上部结构自重和所承受的所有外荷载传递到索塔的重要结构。钢锚箱方案，锚固区荷载大、空间小、构造复杂、传力路径多、应力分布不均匀、破坏机理复杂。本文以正在设计研究中的长江大桥为背景，针对钢锚箱结构索塔锚固区的受力特性和极限承载能力问题进行了试验与分析研究。
试验模型截取索塔典型的受力最大的节段，制作1：2.5比例的缩尺模型。模型试验表明，在1.0倍设计索力P作用下，主跨横桥向塔壁凹槽折角处最大裂缝宽度0.15mm，边跨横桥向塔壁凹槽折角处最大裂缝宽度0.12mm，钢锚箱上所布置测点均没有超过钢材屈服强度。加载到1.7P时（对应与钢锚箱是1.48P），主跨凹槽折角处实测最大裂缝宽度0.30mm，边跨凹槽折角处实测最大裂缝宽度0.24mm，钢锚箱上除侧板外，钢锚箱上其余测点均处于弹性工作状态。
应用有限元方法从整体结构上分析了斜拉索索力的传递规律，定量计算了斜拉索水平分力、竖向分力在钢锚箱各板件和混凝土塔壁之间的分配关系。同时将实际索塔节段简化为平面框架模型，从理论上推导了各构件拉力分配公式，研究了各参数变化对拉力分配和塔壁控制点应力的影响。
对长江大桥索塔锚固区建立空间有限元模型，研究剪力钉内力在竖向和横桥向的分布规律，比较了改变剪力钉横向间距对剪力钉受力的影响，讨论了剪力钉抗剪刚度对剪力钉受力的影响，另外采用实测剪力钉荷载位移曲线，研究剪力钉非线性刚度对剪力钉受力的影响。
在索塔锚固区有限元模型中，引入接触单元，考虑钢混结合面的接触效应，研究摩擦力对塔壁和剪力钉的受力影响。分析表明，钢混结合面考虑接触对剪力钉受力影响较大，对塔壁受力的影响可以忽略。考虑接触后，剪力钉内力分布规律和不考虑接触的结果基本一致，剪力钉最大剪力减小了15％左右。
在最后部分，针对线弹性有限元分析得到横桥向混凝土塔壁名义拉应力远大于混凝土抗拉强度，塔壁开裂严重的情况，考虑了混凝土开裂引起的材料非线性，采用ANSYS分析了混凝土开裂对索塔受力的影响。分析表明，采用规范建议的混凝土弹性模量0.67的折减系数来考虑混凝土开裂的影响是偏于保守的。
关键词：斜拉桥、索塔锚固区、钢锚箱、有限元
III
Abstract
ABSTRACT
The anchorage zones of pylon in cable-stayed bridge are subjected to large concentrated tendon forces and have complicated structural details. It is very important to know the stress distribution of anchorage zones under cable forces. This paper mainly focuses on load transferring mechanism and the ultimate strength of the cable-pylon anchorage zone under stayed cable forces, based on Shanghai Changjiang Bridge under design.
The specimen simulates the 22th segment of the cable-pylon anchorage zone of Shanghai Changjiang Bridge, with a scale of 1:2.5. According to experiment results, under the designed cable forces, the crack width of the concrete pylon at the main-span side reaches 0.15mm, while the crack width at the opposite side reaches 0.12mm. The whole steel anchor box works in elastic behavior. Under the maximum tests loads, which equals 1.7 times the designed cable forces, the crack width of the concrete pylon at the main-span side reaches 0.30mm, while the crack width on the opposite side reaches 0.24mm. Except for some stress concentrated regions of the balance plate, the steel anchor box works in elastic behavior.
Finite element analysis is used to study the special behavior of load transferring mechanism of steel-concrete composite pylon under the stayed cable forces. The distribution rate of horizontal component force between steel anchor box and concrete pylon is obtained. The formula is derived to calculate the distribution rate of horizontal component force between steel anchor box and concrete pylon by simplifying the pylon segment as planar frames. And theoretical results are compared to those from finite element method.
The whole cable-pylon anchorage zone is modeled using FEM to study the shear force distribution of stud connectors. The influence of lateral spacing and stiffness of studs are investigated also in this chapter.
In order to consider the influence of friction on the steel-concrete interaction surface, contact elements are employed in the FEM model. Analysis results show that the stresses in the concrete pylon change slightly. The force distribution of stud connectors remains almost the same even if taking into account of contact effect, but the maximum shear forces of the studs decrease by 15%.
At last, the thesis investigated the influence of concrete crack on anchorage zone considering the material nonlinearity induced by concrete crack. Analysis results show that the stiffness reduction coefficient of 0.67 proposed by the bridge design code is conservative.

Key Words: cable-stayed bridge, composite structure, steel structure, anchorage zone, steel anchor box, FEM

目录
目录
第1章 引言 1
1.1大跨度斜拉桥混凝土索塔锚固区的锚固构造形式 1
1.1.1预应力混凝土锚固结构 2
1.1.2钢锚固梁锚固结构 3
1.1.3钢锚箱锚固结构 4
1.2 斜拉桥混凝土索塔锚固区钢锚箱的受力特性 5
1.3 斜拉桥混凝土索塔锚固区钢锚箱的研究现状 7
1.4 工程背景 9
1.5 本文的研究目的和主要内容 13
第2章 索塔锚固区节段静力试验 15
2.1 模型试验理论 15
2.2索塔锚固区节段静力试验设计 18
2.2.1 试验目的与内容 18
2.2.2 试验模型设计 19
2.2.3 试验模型与实际结构受力比较 22
2.2.3 构件的加工制造和材料特性 29
2.2.4 加载方案 30
2.2.5 测点布置与测试内容 31
2.2.6 仪器设备 36
2.3试验结果 36
2.3.1 混凝土塔壁试验结果 36
2.3.2 裂缝观测结果及分析 42
2.3.3 钢筋应力试验结果 43
2.3.4 斜拉索水平力分配关系 45
2.3.5 钢锚箱试验结果 46
2.3.6 剪力钉测试结果 54
2.4 本章小结 57
第3章 索力在索塔锚固区的传力机理分析 58
3.1 索力在索塔锚固区的分配关系分析 58
3.1.1 斜拉索水平分力的分配关系 60
3.1.2斜拉索竖向分力的分配关系 61
3.2 斜拉索水平分力分配的简化分析 63
3.2.1结构简化分析方法 63
3.2.2简化方法与有限元结果对比 66
3.2.3参数变化对拉力分配和控制点应力的影响 67
3.3 本章小结 69
第4章 索塔锚固区剪力钉受力分析 70
4.1 有限元模型 70
4.2 计算结果 70
4.3 剪力钉横向间距调整对剪力钉受力的影响 77
4.4 剪力钉刚度取值对剪力钉受力的影响 80
4.5 剪力钉非线性刚度对剪力钉受力的影响 84
4.6 本章小结 87
第5章 索塔锚固区钢混结合面的接触分析 89
5.1 有限元模型 89
5.2 计算结果 89
5.3 有限元接触理论 93
5.3.1 接触问题分类 94
5.3.2 接触算法 94
5.3.3 接触刚度 95
5.3.4 接触摩擦 96
5.4 接触面正应力对索塔整体受力影响 97
5.5 本章小结 99
第6章 索塔锚固区混凝土塔壁开裂分析 101
6.1 ANSYS有限元的混凝土模型 101
6.1.1 Solid65的破坏面 102
6.1.2 Solid65的本构关系 105
6.1.3混凝土强度标准值 106
6.1.4压碎与开裂行为 107
6.2 有限元模型 109
6.3 混凝土开裂对塔壁受力的影响 110
6.4 混凝土开裂对斜拉索水平力分配的影响 114
6.5 混凝土开裂对剪力钉受力的影响 114
6.6 本章小结 116
第7章 结论与展望 118
7.1 主要结论 118
7.2 展望 119

第一章 引言
第1章 引言
1.1大跨度斜拉桥混凝土索塔锚固区的锚固构造形式
斜拉桥是由塔、梁、拉索三种基本构件组成的缆索承重组合结构，它是一种桥面系以加劲梁受压（密索体系）或受弯（稀索体系），支承体系以斜拉索受拉、桥塔受压为主的桥梁结构体系。斜拉桥的最大优点在于其造型多样而富于美学内涵：平行索面、斜索面和单索面配以各种不同形式的桥塔，形成刚性桥塔和柔性主梁相结合的双索面体系，代表一种雄伟飘逸的美学风格，如美国的P-K桥；或者采用刚性主梁和柔性桥塔相结合的单索面塔梁固结体系，代表一种稳重挺拔的美学风格，如法国的布鲁东桥。斜拉桥作为一种拉索结构，比梁式桥具有更大的跨越能力，其具有的自锚特性，不需要造价昂贵的锚锭装置，更适合于河口、海岸软土地基的要求，而且斜拉桥结构刚度相对较大，稳定和动力性能优越，在大跨度桥梁中斜拉桥更具竞争力和可行性。斜拉桥正以其跨越能力大，结构新颖美观而成为现代桥梁工程中发展最快、最具竞争力的桥型之一。
自1991年挪威建成的斯卡圣德脱桥（Skarnsundet）和日本建成的鹤见航路桥（Tsurumi Fairway）主跨突破500m 后，近年来世界各地已建主跨在500m 以上的斜拉桥有十余座，1994 年建成的法国诺曼第桥（Normandie）主跨达到了856m。 1998年建成的日本多多罗桥（Tatara）主跨达到890m，是目前世界上已建成斜拉桥中主跨最大的桥，建设中的苏通长江公路大桥主跨为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高度增加的同时，对索塔的建材也提出更高的要求。斜拉桥主跨较小时索塔常常采用混凝土材料，通过配置预应力钢筋或采取其它一些构造措施可以满足索塔锚固区受力要求和施工要求。斜拉桥主跨很大时，由于跨径增大使得索塔上部位置的斜拉索承受较大的拉力，如果整个索塔采用混凝土材料，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筋才能满足受力要求，这时施工难度和工程造价随之提高。如果整个索塔采用钢材，由于钢材的受力性能比混凝土好，可以很容易使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，在目前市场条件下钢索塔要比混凝土索塔的造价高一些。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，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。
索塔与拉索的连接处，由于拉索强大的集中力作用，再加上孔洞的削弱及局部受力，因此该处应力集中现象普遍存在。拉索在索塔上的锚固区构造应综合考虑结构受力、锚固构造要求、施工工艺要求等确定。索塔上拉索的锚固构造是将拉索的局部集中力安全、均匀地传递到塔柱全截面的重要构造。它与拉索的布置、拉索的根数和形状、索塔的型式与构造、拉索索力的大小、拉索的架设与张拉等多种因素有关。设计时应尽量使力线流畅，避免出现大的应力集中现象。
索塔锚固区的设计必须满足以下要求[3]：
1、索力的传递和平衡应该简单、可靠，避免塔柱受扭。
2、锚固构造细节的设计必须考虑拉索张拉、锚固的简易性和经济性。
3、锚固区构造必须具备可接近性，使检查养护人员便于检查；必须考虑为换索提供必要条件。
大跨度斜拉桥的索塔一般采用空心变截面塔柱，常见的索塔锚固型式有以下几种：预应力混凝土锚固结构、钢锚固梁结构、钢锚箱结构。
1.1.1预应力混凝土锚固结构
这种锚固构造是在塔柱的横桥向塔壁上预埋钢管，拉索穿过钢管锚固在塔壁内侧的凸块上，形成对称锚固构造，如图1.1.1所示，塔壁中需布置平面预应力束，用预应力束产生的外力来平衡拉索在塔壁中产生的内力。
当塔柱横桥向尺寸与索力均较小，且拉索为单股索时，只需在塔柱顺桥向塔壁上设置预应力束。当塔柱横向尺寸较大、拉索为横排的双股钢索时，需在塔柱纵、横塔壁上均设置预应力束；当塔柱横向尺寸和索力均较大，且拉索为横排的双股钢索时，除在塔柱纵、横塔壁上都设置预应力束外，还应增设纵向中间隔板，具体布置如图1.2所示。

图1.1.1 预应力锚固构造
1.1.2钢锚固梁锚固结构
这种锚固构造是将钢锚固梁通过钢板和四氟滑板支承于空心塔柱横壁内侧的牛腿凸块上，拉索穿过预埋在塔壁中的钢管锚固在钢锚固梁两端的锚块上，如图1.1.2所示。

图1.1.2钢锚固梁结构示意图
钢锚固梁本身是一个独立和稳定构件，梁两端的刚性垂直支承可在顺桥向和横桥向作微小的移动和转动，但需在两端设纵桥向和横桥向的限位构造装置。在各种受力情况下，拉索的垂直分力由钢锚固梁的垂直支承，通过牛腿凸块传给塔柱，当塔柱两侧的拉索索力和拉索倾角相等时，拉索的水平分力由钢锚固梁的轴向受拉及量级较小的两端弯矩平衡。当塔柱两侧拉索索力不等或索力相等而倾角不等时，塔柱两侧的不平衡水平分力将通过钢锚梁下的支承摩阻力或顺桥向两端的限位挡块传给塔壁牛腿，再传给塔壁，这样使塔壁承受的水平力大大减少，相应的也减少了塔柱在平面框架内的局部荷载及剪力、弯矩。由于钢锚梁两端可做微小的自由移动和转动，由温度影响引起的约束力也将是很小的。
用钢锚固梁实现拉索在空心塔柱上的对称锚固，可使混凝土塔柱在拉索锚固区段受力明确，内力减少，不会产生水平裂缝。主要缺点是锚区有很多牛腿结构，施工装模拆模繁琐。加拿大主跨465m的安娜雪丝桥和我国主跨423m的南浦大桥，东海大桥（主跨420m），闵浦大桥（主跨708m）的混凝土索塔锚固构造都采用了这种型式。
1.1.3钢锚箱锚固结构
工程上常用的两种混凝土索塔钢锚箱结构形式如图1.1.3和图1.1.4所示，图1.1.3中的钢锚箱是放置在索塔混凝土的内部，混凝土索塔是完整的箱形结构，称为内置式钢锚箱，图1.1.4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。

图1.1.3 内置式混凝土索塔钢锚箱结构形式图

图1.1.4 外露式混凝土索塔钢锚箱结构形式图
对于内置式钢锚箱结构，斜拉索的竖向分力由焊接在锚箱两端竖向钢板的剪力钉承受，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。塔壁中可设置普通钢筋控制强度及裂缝宽度，或施加预应力限制开裂。采用这种构造形式的斜拉桥有连接瑞典和丹麦的海峡大桥Øresund桥，丹麦的FarФ-Falste桥，香港昂船洲大桥，杭州湾大桥，苏通长江大桥以及沪崇苏越江通道长江大桥。
对于外露式钢锚箱结构，焊接在锚箱侧板上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，还要传递索塔和钢锚箱之间沿顺桥向的剪力。而且为保证钢锚箱侧板和混凝土塔壁的抗剪效果及抵抗索塔的拉应力，必须在塔壁施加预应力，预应力成为结构成立不可缺少的主要因素，而且预应力度要求比较高。采用这种构造形式的斜拉桥有诺曼底大桥[33]，希腊的Rion-Antirion桥。
钢锚箱锚固结构具有传力可靠，易于检测维护，便于换索等优点，正在被越来越多的大跨度斜拉桥所采用。
1.2 斜拉桥混凝土索塔锚固区钢锚箱的受力特性
钢锚箱锚固方构造的索塔锚固区是钢与混凝土组合结构，但从受力原理上分析，与一般的组合梁有很大区别，主要表现在混凝土索塔相对于钢锚箱而言刚度较大，仍然受到较大拉力和弯矩，主要由两方面原因引起：其一是斜拉索直接的外力作用，锚箱与索塔共同变形，虽然钢锚箱弹性模量较大，但由于截面面积小，钢锚箱总体刚度不大，因此索塔仍然有较大的内力；其二是混凝土的收缩作用，在混凝土收缩时，钢锚箱的作用正好相反，阻碍混凝土收缩，也使得混凝土内部产生一定的内力。在正常使用荷载作用下，单位高度的混凝土塔壁有两种受力形态，在拉索前侧塔壁基本为纯弯构件，侧面塔壁为偏心受拉构件。
简而言之，斜拉索的水平分力是按照刚度比分配到混凝土塔壁、钢锚箱侧板和横隔板上的。但是采用这种构造的大跨度斜拉桥，索力都很大（杭州湾大桥最大索力5140kN，苏通长江大桥最大索力7450kN，长江大桥远期方案最大索力11260kN）。在这种巨大索力作用下，虽然钢锚箱承担了大部分斜拉索水平分力，在不另外设置预应力筋的情况下，混凝土塔壁的开裂也是不可避免，关键在于设置足够的普通钢筋来限制裂缝宽度。问题在于，考虑混凝土开裂的弹性模量到底取多少合适？对于不同索力大小而取用同一的弹性模量折减系数，是否合理？
钢锚箱与混凝土索塔之间除了斜拉索水平力外，还有竖向剪力。竖向剪力的传递途径有：
1、焊接在钢锚箱端板或侧板上的剪力钉传递大部分剪力；
2、锚箱最下端混凝土的竖向支承力；
3、钢锚箱和混凝土结合面的摩擦力。
钢锚箱与混凝土结合面不仅传递接触压应力，还传递摩擦力。对于这部分接触力，杆系有限元无法考虑，常规的板壳有限元通常认为偏与安全的而不予考虑。但到底影响有多大，不考虑接触面的压应力和摩擦力是否真的是偏与安全呢？
除此之外，索塔为钢筋混凝土塔，斜拉索锚固区应力集中，混凝土为三向受力状态，配筋复杂，而且配筋量大，结构破坏机理复杂。锚固区混凝土局部区域出现较大拉应力，这种局部应力对混凝土裂缝、工作性能和承载能力的影响难以判断。
钢锚箱体积小、钢板厚度大、焊接加工难度大，残余变形和残余应力难以确定。同时，残余变形和残余应力对锚箱工作性能和承载能力影响难以判断。
综上所述，采用钢锚箱方案的设计构思路是：
1、钢锚箱和混凝土作为组合构件共同受力。即使不考虑混凝土塔柱的共同作用，钢锚箱自身也可以承受斜拉索的全部水平分力；斜拉索竖向分力则主要通过钢锚箱端部与混凝土塔柱间的剪力键传递到混凝土塔壁，由混凝土塔柱承受，钢锚箱底部的支撑构造仅分担少量的竖向力。
2、混凝土索塔即使不采用预应力，结构极限承载力和正常使用极限状态均满足规范要求。
3、为了提高锚固区整体刚度并保证索塔的耐久性，避免索塔出现开裂，在索塔混凝土中仍可考虑设置预应力。
1.3 斜拉桥混凝土索塔锚固区钢锚箱的研究现状
钢锚箱式索塔锚固区是将拉索的局部集中力安全、均匀地传递倒塔柱全截面地重要构造。由于钢锚箱构造复杂、传力路径多、应力分布不均匀、破坏机理复杂，类似结构的工程实例和试验资料较少，设计时一般采用有限元数值分析结合模型试验进行验证。
如上文所述，斜拉索的水平分力是按照刚度比分配到混凝土塔壁、钢锚箱侧板和横隔板上的。因此在设计阶段，首先要分析混凝土塔壁和钢锚箱拉力的分配比例，并根据分析结果锚箱刚度和混凝土塔壁厚度作适当调整。
在这方面，华新[24]和苏庆田[20]通过对混凝土塔壁和钢锚箱抗拉刚度的分析，将混凝土塔壁和钢锚箱分别简化为框架和拉杆，得到平面框架计算模型，各自推导了各构件拉力分配公式，研究了各参数变化对拉力分配的影响。
平面框架模型计算快速简便，可大致得到斜拉索水平力的分配关系和混凝土塔壁主要断面的应力大小，但却无法分析钢锚箱的受力。更为准确的方法是进行索塔锚固区的空间有限元分析，混凝土塔壁用体单元模拟，钢锚箱的钢板用体单元或者有厚度的板壳单元模拟。
在苏通大桥主桥设计专题报告—《索塔锚固区方案比选和设计》和同济大学提交的研究报告[9]中，都采用有限元软件ANSYS，对索塔锚固区建立了三维空间有限元模型，分析了内置式和外露式钢锚箱结构的受力，以及在塔壁内设置预应力对索塔受力的影响。文献[9]还采用3种不同方法模拟剪力钉，分析了剪力钉的内力分布。
然而正如在上节锚固区受力特性中所指出，在正常使用荷载作用下，单位高度的混凝土塔壁有两种受力形态，在拉索前侧塔壁基本为纯弯构件，侧面塔壁为偏心受拉构件。受拉区混凝土一旦开裂，构件将进入带裂缝工作阶段，混凝土构件的刚度将会显著的降低。然而到目前为止，关于钢锚箱式索塔锚固区的分析，无论是平面杆系计算，还是空间有限元分析，都假定混凝土是理想弹性材料，只是将混凝土的弹性模量乘以折减系数，以考虑开裂的影响。关于折减系数的取值，一般直接参照原桥梁规范关于钢筋混凝土超静定结构变形计算时采用的刚度折减系数0.67。新版桥梁规范[14]指出，“原规范计算钢筋混凝土受弯构件的挠度时，采用开裂截面的刚度，不考虑未开裂截面对构件抗挠曲的影响，是偏保守的。”新规范根据东南大学有关研究资料，将一根带裂缝工作的受弯构件视为一根不等刚度的构件，裂缝处刚度最小，两裂缝间刚度最大，将上述变刚度构件等效为等刚度构件，采用结构力学方法，按在端部弯矩作用下构件转角相等的原则，求得等刚度受弯构件的等效刚度。等效刚度的取值于与开裂弯矩和截面上所受弯矩有关。对于静定结构，截面上所受弯矩是唯一确定的，而对于钢锚箱构造的索塔锚固区而言，混凝土塔壁上所受的弯矩不仅和外荷载有关，还和塔壁本身刚度，也就是混凝土弹性模量折减系数有关。至此，弹性模量折减系数便只能通过迭代求解了。至于直接从混凝土材料的本构关系上考虑开裂引起的非线性，从目前检索到的索塔锚固区相关资料上看，还没看到类似文献。
除了混凝土弹性模量的取值，有限元建模的另一个问题就是钢锚箱与混凝土结合面如何模拟。从现有的资料上看，关于钢锚箱与混凝土结合面的模拟有两种方法：
一、如果只关心钢锚箱和混凝土塔壁的受力情况，而对钢锚箱上剪力钉受力并不关注，则可以假定钢锚箱端板与混凝土塔壁是紧密接触，也就是完全不考虑剪力钉的存在。
二、如果关注重点是剪力钉的内力分布，有限元建模时，采用弹簧元来模拟剪力钉，钢锚箱与混凝土塔壁之间的压力、竖向剪力和横向剪力直接由剪力钉传递，忽略钢混凝土结合面的摩擦力和接触压应力。
在实际结构中，钢混结合面不仅传递接触压应力，还传递摩擦力。对于这部分接触力，因计算麻烦，常规有限元分析通常认为偏与安全的而不予考虑。但是忽略接触面应力，是否真的是偏与安全，它对于塔壁的受力有多大影响呢？目前还没有相关文献就此作过分析。
除有限元理论分析外，确认索塔锚固区受力最直接的方法就是模型试验。以往国内外索塔锚固区大比例模型试验主要是模拟水平索力，而该桥索塔锚固区的实际拉索是斜向作用的，水平索力主要由钢锚箱侧板自平衡，斜拉索分解的竖向分力是锚固区传递的主要作用力，因此作用的索力需要与该索塔节段实际受力状态相同，正确模拟斜拉索的作用力的大小以及方向。杭州湾跨海大桥索塔锚固区节段模型试验研究[31]设计制作了一套自平衡式的三维加载系统，能够进行空间加载，但做试验的索塔节段一般为塔顶以下第2或第3个节段，对于由截取的试验节段以上由塔壁自重和斜拉索竖向分力产生的作用塔壁上的竖向力的影响，该试验并没有考虑。
除此之外，同是钢锚箱构造的索塔锚固区，杭州湾大桥最大设计索力为5140kN，苏通长江大桥为7450kN，而本课题来源的沪崇苏越江通道长江大桥，由于远期方案要考虑轻轨过江，塔端最大设计索力达到11260kN。长江大桥的索塔锚固区的结构尺寸和苏通大桥相差无几，在如此巨大的集中索力作用下，索塔的受力性能究竟如何，实际的承载能力到底是多少，必须通过试验予以确认。
1.4 工程背景
本研究课题来源于正在设计研究中的沪崇苏越江通道长江大桥索塔索梁锚固区节段静力试验研究科研项目。上海长江大桥是国内索力最大的斜拉桥，桥跨布置为107+243+730+243+107=1430m，采用五跨连续全飘浮体系，空间双索面布置，见图1.4.1所示。梁体采用分离式双主梁形式，两主梁间距为10.5m（施工图调整为10.0m），中间采用中间横系梁联结，箱梁结构为扁平闭口流线型钢箱。主塔为“人”字形独柱钢筋混凝土索塔，自承台顶面至塔顶总高约212m；分为桥面以下的下塔柱、锚索区的上塔柱、其间的中塔柱；主塔塔柱为钢筋混凝土箱形断面，下塔柱由两个的单箱单室渐变成一个单箱单室，塔根部单箱结构外尺寸：12 m（顺桥向）×14m（横桥向）；中塔柱及上塔柱为单箱单室断面，结构外尺寸：9 m×9m～7.4m×7.4m（塔顶），四角设1.2 m×1.2m的倒角。斜拉索采用空间扇形双索面布置形式，全桥共192根斜拉索。
长江大桥工程索塔锚固区节段总长56.55m，共23个钢锚箱节段，节段高2.3m～3.2m，节段1位于索塔锚固区的底部，节段23位于索塔锚固区的顶部。第23＃～2＃号索依次锚固在钢锚箱上，0＃、1＃号索锚固于锚固区底部混凝土上表面。

图1.4.1 上海长江大桥总体布置图 (m)

图1.4.2 上海长江大桥桥塔布置图 (cm)

图1.4.3 上海长江大桥桥塔锚固区典型断面图 (mm)

图1.4.4 上海长江大桥桥塔锚固区节段钢锚箱立面图 (mm)

图1.4.5 上海长江大桥桥塔锚固区节段钢锚箱平面布置图 (mm)

图1.4.6 上海长江大桥桥塔锚固区节段剪力钉布置图一 (mm)

图1.4.7 上海长江大桥桥塔锚固区节段剪力钉布置图二 (mm)
表1.4.1上海长江大桥索力 （kN）
索号
索力
索号
索力
索号
索力
索号
索力
Z1
3929
Z13
7540
B1
3929
B13
6738
Z2
4244
Z14
7562
B2
4245
B14
7558
Z3
4875
Z15
8389
B3
4876
B15
8382
Z4
4882
Z16
8415
B4
4883
B16
9052
Z5
4890
Z17
9090
B5
5519
B17
9079
Z6
5527
Z18
9121
B6
5529
B18
9108
Z7
5538
Z19
9478
B7
5855
B19
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Z8
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Z12
7518

B12
6720

1.5 本文的研究目的和主要内容
本课题来源于正在设计研究中的沪崇苏越江通道长江大桥索塔锚固区节段静力试验科研项目。斜拉桥索塔锚固区是将斜拉桥的上部结构自重和所承受的所有外荷载传递到索塔的重要结构。钢锚箱方案，锚固区荷载大、空间小、构造复杂、传力路径多、应力分布不均匀、破坏机理复杂。
由于类似结构的工程实例和试验资料较少，而本课题来源的沪崇苏越江通道长江大桥，远期方案要考虑轻轨过江，塔端最大设计索力达到11260kN，是目前国内最大索力斜拉桥。在如此巨大的集中索力作用下，索塔的受力性能究竟如何，实际的承载能力到底是多少，必须通过模型试验进行验证。
本文将通过模型试验和数值计算、理论分析相结合的方法进行研究。通过这一研究计划，不仅为长江大桥的设计与施工提供可靠的实测数据和理论依据，而且可以为同类桥梁设计理论的基础研究增添宝贵的实测资料。
本文主要做了以下几项工作：
1．结合上海长江大桥工程，对其索塔锚固区进行试验研究。选取典型的受力最大的第22个索塔锚固节段，制作1：2.5比例的缩尺模型，测试在不同主要荷载工况和分级加载情况下，索塔混凝土、钢锚箱板件主要控制点的应力与变形，研究应力分布与大小；观察与测试锚箱与混凝土连接处的应力、变形与裂缝，确认多排剪力钉的工作状态与承载能力；观察与测试索塔混凝土在不同荷载等级下的裂缝分布及裂缝大小； 确认索塔锚固区的承载能力及安全储备。采用ANSYS对试验模型建立有限元模型，并将实测数据和有限元结果做对比。
2．从整体结构上分析了斜拉索索力的传递规律，分析拉索的水平分力、竖向分力如何在索塔锚固区构件中传递，定量计算了各部分构件具体分担了多少拉索水平分力和多少拉索竖向分力的比例。
另外，将实际索塔节段简化为平面框架模型，从理论上对钢锚箱这种钢—混组合结构进行抗拉刚度分析，推导了各构件拉力分配公式，研究了各参数变化对拉力分配和塔壁控制点应力的影响。
3、结合上海长江大桥索塔锚固区剪力钉的布置情况，对其建立空间的有限元模型，计算分析剪力钉的受力情况，研究剪力钉内力在竖向和横桥向的分布规律。根据现有的剪力钉布置情况，比较了改变剪力钉横向间距对剪力钉受力的影响。针对剪力钉性能试验得出的剪力钉抗剪刚度差异较大的情况，讨论了剪力钉抗剪刚度对剪力钉受力的影响，另外采用实测剪力钉荷载位移曲线，研究剪力钉非线性刚度对剪力钉受力的影响。
4、针对索塔锚固区钢混结合面的接触问题，在有限元模型中，考虑钢混结合面的接触效应，研究摩擦力对混凝土塔壁，和剪力钉的受力影响。
5．针对线弹性有限元分析得到横桥向混凝土塔壁名义拉应力远大于混凝土抗拉强度，塔壁开裂严重的情况，尝试了在ANSYS中，从混凝土的本构关系上考虑混凝土开裂引起的材料非线性，分析了混凝土开裂对索塔受力的影响。

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第2章 索塔锚固区节段静力试验
第2章 索塔锚固区节段静力试验
科学试验是重大工程建设中必不可缺的一环，是为结构分析提供数据和结论的主要手段之一，也是检验数值理论、解析理论和计算机分析正确性的主要依据[35,36]。
国内大跨径斜拉桥索塔锚固区采用钢锚箱构造有杭州湾大桥、在建的苏通大桥和金塘大桥。杭州湾大桥最大设计索力为5140kN，苏通长江大桥为7450kN，两座大桥均针对锚固区受力进行了节段模型试验。而本课题来源的沪崇苏越江通道长江大桥，由于远期方案要考虑轻轨过江，最大设计索力达到11260kN。而长江大桥的索塔锚固区的结构尺寸和苏通大桥相差无几，在如此巨大的集中索力作用下，索塔的受力性能究竟如何，裂缝宽度能不能满足规范要求，实际的承载能力到底是多少，必须通过试验予以确认。
本章主要讲述模型设计时所依循的模型试验理论，并介绍索塔锚固区节段模型的设计以及试验加载和测试，最后给出了试验测试结果并和有限元分析结果做了对比。
2.1 模型试验理论
一．结构相似的概念[35,36]
如果表征一个系统中的物理现象的全部量（如线性尺寸、力、位移等）的数值，可由第二个系统中相对应的诸量乘以不变的无量纲数得到，这两个系统的物理现象就是相似。属于力学现象的，叫做力学相似。这个无量纲常数称为相似系数，或相似比。
以P和m分别表示原型和模型的物理量，则各物理量之间的相似比定义为：
几何相似比：
应力相似比：
应变相似比：
泊松相似比： ， 弹性模量相似比：
位移相似比： ， 容重相似比
边界力相似比： ， 体积力相似比：
二．相似理论的三个定理[35,36]
（1）相似第一定理——相似现象的性质
对于两个相似现象，它们的各个相似常数之间必须满足一定的关系，相似现象的相似指标等于1。定义相似第一定理为：相似现象的相似指标等于1，或者相似判据相等。
相似第一定理说明相似现象的本质，相似判据相等是两个现象相似的必要条件。相似判据把两个相似现象中的物理量联系起来，以判别两个现象是否相似并把某一现象研究所得的结果推广应用到另一相似现象中去。
（2）相似第二定律——相似判据的确定
相似第二定理表述为：如果一个物理现象可由n个物理量构成的物理方程描述，n个物理量中有k个独立物理量，即有k个基本物理量，则该物理现象也可以用这些量组的（n－k）个无量纲群的关系式来描述。这些无量纲群可以作为该物理现象的相似判据。
设某一物理现象的物理方程为：
（2-1）
其中，为该物理现象的k个基本物理量，其量纲可表示为，其余（n-k）个导出物理量的量纲为：
（2-2）
按照相似第二定理，可以把n个物理量构成的物理方程无量纲化为（n-k）个无量纲群的关系式：
（2-3）
相似第一定理指出了相似现象必须满足的条件－相似判据相等。相似第二定理则指出了确定相似判据的方法。确定相似判据可采用以下两种方法：方程式分析法和量纲分析法。当研究现象中的各物理量之间的关系可以用方程式表述时，可应用方程式分析法来导出相似判据；反之，当相似现象过于复杂而无法建立表示过程的方程式时，可应用量纲分析法。
（3）相似第三定理——相似现象的充分和必要条件
相似第三定理表述