大跨度斜拉桥索塔节段试验与有限元分析

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　　摘  要：索塔锚固区作为斜拉桥受力关键构件，其受力十分复杂，单纯的采用力学计算和平面模型分析无法模拟出索塔锚固结构在实际受力中的真实性。文章以唐山二环路上跨津山铁路等既有铁路立交桥转体斜拉桥为工程背景，采用有限元空间理论模型结合现场试验，通过对两者结果的对比分析，研究索塔锚固区的受力性能及应力分布规律，为大型斜拉桥的设计施工提供了理论参考。
　　关键词：斜拉桥;索塔节段;试验分析;有限元
　　中图分类号：U448.27 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）18-0001-06
　　Abstract： As the key component of the cable-stayed bridge， the anchorage area of the cable tower is very complicated. Simply using mechanical calculation and plane model analysis can not simulate the authenticity of the pylon anchor structure under actual stress. Based on the engineering condition of the existing railway overpass and the cable-stayed bridge over the Jinshan Railway on the Tangshan Second Ring Road， this paper uses the finite element space theory model combined with field tests to study the force of the anchorage area of the cable tower. Through the comparative analysis of the results of the two， the mechanical performance and stress distribution law of the cable tower anchorage area are studied， which provides a theoretical reference for the design and construction of large cable-stayed bridges.
　　Keywords： cable-stayed bridge; cable tower section; test analysis; finite element
　　1 概述
　　近年来，大跨度斜拉桥的逐渐普及，由于结构功能的需求，环向预应力钢束的索塔锚固形式日渐增多，而作为传递斜拉桥上部结构自重和外荷载的关键构件，索塔锚固区的应力作用机理一直备受广大学者关注。
　　目前国内外主要采用空间有限元进行仿真分析和索塔节段模型试验两种手段进行研究。受环境和经费影响，早期学者采用单纯有限元分析方法居多，例如李立峰[1]对衡阳市湘江三桥、严少波[2]对荆州长江公路大桥、韩富庆[3]对安庆长江公路大桥等学者均对目标索塔锚固区采用了较为详细的分析，但是考虑到实际索塔结构受施工条件和环境影响大，单纯的理论分析无法真实模拟出实桥受力，需要进一步采用试验模型验证结构的安全性能。在试验方法上，除润扬长江公路大桥[4]、广中江高速公路西江水道桥[5]等少数索塔模型试验采用斜向加载外，索塔节段均从方便建模和简化试件的角度上采用水平向加载。这种做法虽然在理论值和试验值上保持较好的一致性，但是大大降低了仿真效果，偏离了实桥实际受力情况。采用斜向加载又需要制作混凝土梯形台座，作为斜拉索的反力梁，虽然较为真实的模拟出索塔锚固区的受力，但是需要试验各辅助构件具有足够的安全储备，大大提高了试验费用，这就需要探索新的试验方法以兼备两者优点。
　　在對于大型斜拉桥索塔节段应力分析的广泛研究中，大部分学者往往使用节段模型试验及有限元分析相结合的手段。例如，项贻强[6]、赵志刚[7]及王鹏[8]等人分别以南京长江第二桥、紫金大桥及金华江大桥为工程背景，对斜拉桥索塔节段进行足尺模型试验，并采用有限元分析软件建立其空间分析模型，对索塔节段进行应力分析，这样可以通过两者结果的对比确保应力分析结果的正确性，两种方法优劣互补，相互验证，为桥梁建设提供理论参考。
　　2 工程背景
　　本文以唐山二环路上跨津山铁路等既有铁路立交桥转体斜拉桥为工程背景。该桥主桥结构体系采用半漂浮体系，跨径组成为（34+81+115）m，总长230m。为了承受斜拉索巨大的张力，索锚区塔柱截面设置U型预应力钢束，钢束弯曲半径1.5m，钢束规格分别采用12-?S15.2、9-?S15.2 及 7-?S15.2钢绞线，布置间距20cm。靠近索塔顶部的第16对拉索表现出最大索力，最大索力为3409.5kN。索塔节段锚固区构造如图1所示。
　　3 索塔节段试验模型及有限元模型
　　本文使用索塔节段模型试验与有限元分析相结合的方式对索塔节段应力进行分析。试验模型制作比例为1：1，模型混凝土强度等级为C55，混凝土材料经试验测得平均抗压强度为55.73MPa，抗压弹性模型平均值为3.03×104MPa，在索塔试验模型锚固区腹板内外侧（N、S方位）及非锚固区腹板内外侧（W、E）布置测点，试验模型及测点方位布置如图2所示，测点布置如图3所示。同时采用大型通用有限元软件ANSYS，按照唐山二环线斜拉桥索塔节段实际尺寸建立分析模型，如图4所示。混凝土采用8节点solid65单元模拟，U形预应力钢绞线采用link8单元模拟，齿块锚垫板采用solid45弹性单元模拟。 　　4 计算结果分析对比
　　本文参照索塔节段足尺模型试验工序，围绕以下三种荷载工况对索塔节段应力展开分析比较：（1）U形预应力筋单独作用下索塔节段模型的应力分布;（2）正常工作索
　　力作用下（3400kN）索塔节段模型的应力分布;（3）加载设备峰值荷载（9000kN）索力荷载下索塔节段模型的应力分布。
　　4.1 U形预应力筋单独作用下的应力分析对比
　　表1为部分测点在预应力下的实测值与有限元模型的理论值对比。观察表中数据可以发现，试验模型测点在U形预应力束的紧箍作用下，锚固区腹板外侧大部分测点表现出较大的压应力响应，越靠近索管口附近，应力水平越大;非锚固区腹板内侧测点压应力比外侧大很多，尤其是在齿块高度处，压应力达-17.3MPa，这与有限元模型表现出受力特点一致。由此可见，有限元模型与试验结构模型在关键测点的应力大小及应力分布趋势较为一致，说明索塔节段模型设计与实桥上塔柱的构造细节一致，试验加载方案合理，能较真实的反映实桥上塔柱结构的受力性能，试验结果可信。
　　4.2 正常工作索力作用下的应力分析对比
　　将有限元模型在正常工作索力作用下的理论分析结果与试验测试结果进行对比，对比结果如图5～图12所示。
　　由对比结果可知：除个别测点，模型上大部分测点的实测结果与有限元理论分析结果较为吻合。测点的试验实测结果与有限元理论结果曲线保持相似的发展趋势，基本上呈线性发展状态。测点反映出的腹板受力规律也大致相同，即锚固区腹板处于压弯受力状态，非锚固区腹板处于拉弯受力状态。测点W-10、E-13等测点虽然在数值上波动较大，与有限元理论分析结果也有较大的差距，但整体应力发展曲线仍然与有限元理论分析一致，归其原因为材料不均匀所致。
　　4.3 9000kN水平荷载作用下的应力分析对比
　　将模型在9000kN索力作用下的理论分析结果与试验测试结果进行对比，对比结果如图13～图18所示。
　　由比较结果观察可得，在索力较小的时候，大部分测点的实测值与有限元理论值吻合较好，测点的试验实测结果与有限元理论结果曲线保持相同的发展趋势，证明试验加载方案合理，能较真实的反映实桥上塔柱结构的受力性能，试验结果可信。当荷载继续增大，试验模型混凝土材料开始出现非线性发展甚至开裂，应力曲线开始出现突变，逐渐脱离有限元理论分析结果。S-L-6、N-R-10等测点位于锚固区腹板外侧， 7000kN索力作用前基本处于线性增长阶段，当荷载增大到7500kN时该部分测点产生应力突变的现象，观察试验模型发现索管口附近已有多处细小裂缝，表明试验测试结果与试验现象保持一致。虽然弹性有限元理论模型无法模拟出混凝土非线性发展规律，但是通过对比实测结果和有限元理论结果可以更加明确的判断测点的破坏荷载等级，进而确定索塔节段模型的承载能力极限荷载。
　　5 结论
　　本文结合现场索塔锚固区节段模型试验，建立了精细化有限元模型。通过有限元模型对索塔节段应力进行计算分析，并对比试验测试结果，得出以下结论：
　　（1）索塔锚固区节段模型在U形预应力筋作用下，有限元模型与试验结构模型在关键测点的应力大小及应力分布趋势较为一致。各截面测点表现出较明显的应力分布规律。
　　（2）正常工作索力作用下，除个别测点，大部分测点的实测结果与理论分析结果较为一致，基本上应力呈线性发展状态。两组结果反映出的腹板受力规律也大致相同，即锚固区腹板处于压弯受力状态，非锚固区腹板处于拉弯状态。
　　（3）在9000kN超载索力作用下，试验模型测点应力及开裂规律均与有限元模型较为一致，进一步表明模型能够真实的模拟索塔锚固区受力情况。
　　参考文献：
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