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混凝土橋塔拉索錨固系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2020-06-01 02:45戴世宏
北方交通 2020年4期
關(guān)鍵詞:索力牛腿壁板

戴世宏

(東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 南京市 210096)

斜拉橋橋塔的拉索錨固區(qū)是其重要的受力部位,通常拉索錨固區(qū)斜拉索錨固點(diǎn)都相對(duì)集中,而且索力一般都很大,該區(qū)域的受力狀況十分復(fù)雜,因此橋塔的拉索錨固區(qū)是斜拉橋橋塔設(shè)計(jì)以及施工的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

目前在工程實(shí)際運(yùn)用中,常見的混凝土橋塔拉索錨固方式有:環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固、鋼錨箱錨固和鋼錨梁錨固這三種方式。環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固是指對(duì)塔壁施加環(huán)形預(yù)應(yīng)力以平衡索力在塔壁上產(chǎn)生的拉應(yīng)力,常見的環(huán)向預(yù)應(yīng)力布置方式有U字形和井字形兩種,目前U字形布置方式使用較多,環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固構(gòu)造簡(jiǎn)單,制造、安裝成本低,后期養(yǎng)護(hù)工作量小,但存在施工難度較大、預(yù)應(yīng)力損失大、預(yù)應(yīng)力壓漿不易密實(shí)等問題。鋼錨箱錨固和鋼錨梁錨固大體相同,兩者差異在于,鋼錨箱完全固接于混凝土塔壁,塔壁與鋼錨箱共同分擔(dān)索力,且塔壁承擔(dān)的水平分力不小,容易使塔壁混凝土開裂,因此需對(duì)塔壁施加足夠的預(yù)應(yīng)力來防止塔壁開裂。而鋼錨梁錨固則是將鋼錨梁支撐于塔壁的牛腿上,斜拉索的大部分水平力由鋼錨梁平衡,少部分未平衡水平力則通過鋼錨梁與牛腿間的摩擦等方式傳遞給塔壁,因此塔壁受力較小,無需配置預(yù)應(yīng)力來防止塔壁開裂。

1 項(xiàng)目概況

以某斜拉橋?yàn)楸尘?,該橋?yàn)閱嗡p索面雙層鋼桁梁斜拉橋,半漂浮體系,橋跨布置為(90+128)m。主跨及邊跨各設(shè)置9對(duì)空間斜拉索,邊跨主梁拉索間距為9m,主跨主梁拉索間距為12m,塔上拉索間距為2m,縱橋向索面呈扇形布置。橋梁總體布置如圖1所示。

橋塔采用寶塔形,索塔總高87.0m,包括上塔柱、中塔柱、下塔柱和下橫梁,采用C50混凝土。拉索錨固區(qū)為單箱單室空心箱形斷面,尺寸由4.4m×5m,塔壁厚度在斜拉索前側(cè)為1.0m,側(cè)面為0.7m。

2 拉索鋼錨梁設(shè)計(jì)

經(jīng)過前期分析比較,本橋橋塔斜拉索采用鋼錨梁+鋼牛腿的錨固方式,一套錨固系統(tǒng)包括一道鋼錨箱、四個(gè)鋼錨梁以及兩個(gè)鋼牛腿,其三維構(gòu)造如圖3所示。鋼錨箱焊接于鋼錨梁兩側(cè),一道鋼錨梁連接兩對(duì)斜拉索,由于本橋采用空間索面,斜拉索與橋塔交角隨高度變化,因此需通過調(diào)整鋼錨箱與鋼錨梁的夾角來適應(yīng)空間索面。斜拉索面內(nèi)水平分力主要由鋼錨梁承擔(dān),剩余不平衡水平分力則通過鋼牛腿傳遞至混凝土塔壁,而斜拉索面外水平力則讓鋼錨梁自己來平衡。鋼錨梁架設(shè)在鋼錨梁牛腿上,鋼錨梁一端通過高強(qiáng)螺栓固定于鋼牛腿上,另一端為設(shè)有四氟乙烯板的滑動(dòng)端,在施工期間處于可滑動(dòng)狀態(tài),待索力調(diào)整完畢后將螺栓鎖死,使鋼錨梁在成橋及運(yùn)營階段處于兩端固定狀態(tài)。鋼牛腿壁板內(nèi)表面設(shè)置剪力釘,與塔柱澆注為一體,鋼牛腿頂板與豎板都通過剖口角焊縫與壁板連接。

3 受力分析

3.1 計(jì)算模型

為分析橋塔錨固區(qū)的受力情況,以簡(jiǎn)化的桿系模型為基礎(chǔ),建立橋塔實(shí)體有限元模型來進(jìn)行計(jì)算。模型中塔柱、鋼錨梁、鋼牛腿均采用實(shí)體單元,并在塔體中保留了斜拉索管道,以便于準(zhǔn)確反應(yīng)開孔對(duì)混凝土截面的削弱。橋塔錨固區(qū)局部模型如圖4所示。

各材料根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的材料屬性進(jìn)行模擬,具體數(shù)值在表1中列出。

表1 有限元模型材料屬性表

3.2 應(yīng)力分析

圖5所示為典型拉索錨固斷面處橋塔塔壁主拉應(yīng)力云圖,從圖中可以看出主拉應(yīng)力主要集中在塔壁與鋼牛腿頂板相對(duì)應(yīng)區(qū)域,最大主拉應(yīng)力約為4MPa。此處出現(xiàn)應(yīng)力集中主要是由作用于鋼牛腿上的斜拉索豎向分力引起的。主拉應(yīng)力向塔壁外側(cè)迅速衰減,除局部應(yīng)力集中區(qū)域外,塔壁其余位置主拉應(yīng)力分布較為均勻,且主拉應(yīng)力值維持在較小的數(shù)值,基本小于1MPa。說明塔壁承受的水平荷載較小,設(shè)計(jì)時(shí)僅配置普通鋼筋即可滿足受力需要,而無需配置預(yù)應(yīng)力。由于塔壁與鋼牛腿頂板對(duì)應(yīng)位置主拉應(yīng)力較大,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意鋼牛腿壁板與塔壁的連接處理,施工時(shí)也應(yīng)特別注意,確保此處混凝土振搗密實(shí)。

如圖6所示,在正常使用狀況下,鋼錨梁側(cè)板、頂板及底板應(yīng)力較為均勻,均處于受拉狀態(tài),可充分發(fā)揮鋼材抗拉性能好的特點(diǎn),不存在受壓失穩(wěn)的問題。鋼錨梁各板件,除底板圓弧倒角處應(yīng)力集中外,其余位置均小于100MPa。鋼錨箱直接承受索力的錨墊板處應(yīng)力較大,鋼錨箱頂?shù)装寮皞?cè)板與鋼錨梁焊接處出現(xiàn)應(yīng)力集中。

如圖7所示,鋼牛腿豎板應(yīng)力相對(duì)較大,最大應(yīng)力值為80MPa,其余位置應(yīng)力較小,整體處于較低的應(yīng)力水平。作用于牛腿的大部分荷載由豎板傳遞至壁板,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意驗(yàn)算豎板與壁板的焊縫,以及進(jìn)行豎板的壓彎穩(wěn)定驗(yàn)算。鋼牛腿壁板應(yīng)力最大值出現(xiàn)在壁板與頂板銜接處,并以此為中心向上下衰減,壁板在彎矩作用下有向外的變形,此處壁板與混凝土塔壁的連接設(shè)計(jì)予以加強(qiáng)。

3.3 水平力分配比例

鋼錨梁與混凝土塔壁各自承擔(dān)水平力的比例與鋼錨梁和鋼牛腿的連接方式有關(guān)。鋼錨梁和鋼牛腿常見的連接方式有三種:

(1)滑動(dòng)連接,即鋼錨梁與牛腿處于相對(duì)滑動(dòng)狀態(tài),斜拉索的不平衡水平力由設(shè)置于鋼錨梁與塔壁之間的擋塊進(jìn)行傳遞;

(2)固定連接,即將鋼錨梁通過高強(qiáng)螺栓或焊接等方式固定于鋼牛腿之上,鋼錨梁與鋼牛腿間的水平力分配與它們之間的變形協(xié)調(diào)有關(guān);

(3)一端滑動(dòng)一端固定,即鋼錨梁一端與鋼牛腿固定連接,另一端則處于可滑動(dòng)狀態(tài)。本橋采用一端固定另一端先滑動(dòng)后固定的連接方式,采用這種連接方式水平力的分配不僅和鋼錨梁與塔壁的變形協(xié)調(diào)有關(guān),還和固定端的位置以及滑動(dòng)端鎖死時(shí)機(jī)有關(guān)。本橋固定端設(shè)于主跨側(cè),滑動(dòng)端在斜拉索索力調(diào)整完畢后鎖死。

本橋橋塔上共設(shè)9道鋼錨梁,自上而下編號(hào)為M1~M9,在最不利荷載工況下,各鋼錨梁軸力與塔壁分配水平力如表2所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出,鋼錨梁分擔(dān)約80%的斜拉索水平分力,剩余約20%的索力傳遞至塔壁,這是塔壁混凝土保持較低應(yīng)力水平的重要原因。

表2 水平力分配表

4 結(jié)語

本橋采用橋塔斜拉索鋼錨梁+鋼牛腿的錨固方式,鋼錨梁一端固定另一端先滑動(dòng)后固定。驗(yàn)算結(jié)果表明,斜拉索80%的水平分力由鋼錨梁承擔(dān),橋塔壁承擔(dān)了約20%的水平力,使得橋塔混凝土保持在一個(gè)較低的拉應(yīng)力水平,避免了復(fù)雜的環(huán)向預(yù)應(yīng)力的配置,達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。

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