锚固区混凝土

锚固区混凝土（精选7篇）

锚固区混凝土 篇1

1 概述

斜拉桥是跨越能力较强的一种桥型, 可达千米。由于刚度大、环境适应性强等优点, 斜拉桥一般在300 m~1 000 m范围内取代拱桥和悬索桥成为首选桥型。斜拉桥根据体系构成和材料种类分为:塔墩固结、塔梁分离、塔梁固结、刚构体系、混凝土结构和钢结构。一般大跨径斜拉桥中多采用塔梁分离和钢结构, 而小跨径斜拉桥中多采用混凝土结构。

在斜拉桥设计中, 由于桥塔拉索锚固区受力较集中和情况复杂, 往往成为设计的重点。尤其是混凝土桥塔, 其复杂的应力情况很可能导致桥塔在施工或运营当中发生开裂。这不仅影响了结构的使用寿命, 还影响到结构的安全性[1,2,3,4,5]。为了使设计人员能更合理的设计桥塔锚固区, 清晰的了解锚固区受力情况是必要的。本文以温州市某混凝土斜拉桥为背景, 采用大型通用有限元软件ANSYS建立桥塔锚固区实体模型, 对桥塔拉索锚固进行受力分析, 研究其应力分布情况和特点, 便于设计人员的合理设计。

2 工程背景

温州市某斜拉桥为双塔双索面混凝土 (塔、梁) 结构, 塔墩固结, 跨径布局为135+316+135 (m) , 边中跨比0.427, 边跨不设辅助墩, 如图1所示。

该桥主梁采用预应力混凝土肋板式结构, 主肋高度2.8 m, 宽2 m, 主塔根部处由于受力需要加厚至3.5 m, 桥面板为受力单向板, 厚0.3 m。主塔采用花瓶型, 上塔柱直线段结构高28.79 m, 中塔柱直线段50.03 m, 其间的曲线段高23.28 m, 塔墩高33.9 m, 共136 m。主塔纵向7 m, 主墩纵向7 m~8.5 m, 横向塔顶全宽13 m, 塔墩固结处全宽43 m, 墩底全宽26 m。主塔塔柱截面均为箱形截面, 纵向宽度为7 m, 壁厚1.2 m, 横向宽度为3.5 m, 壁厚0.7 m~1 m。

斜拉索采用扇形空间双索面布置, 每塔每索面共22对斜拉索, 共176根。塔上索距分别为1.3 m, 1.6 m, 1.8 m, 梁上索距除边跨压重区为2.8 m外, 其余均为6.6 m。斜拉索采用高强度低松弛平行钢丝索, 索体采用双层HDPE防护的全防腐索体, 抗拉强度标准值为fpk=1 670 MPa。拉索锚具采用冷铸镦头锚锚固体系, 均在主塔端张拉 (见图2) 。

3 模型建立

为研究拉索力作用下, 桥塔拉索锚固区受力情况, 采用大型通用有限元软件ANSYS建立实体模型进行分析。模型截取单侧塔柱塔顶以下4个锚固区段为研究对象, 为简化分析, 只建立1/4轴对称模型。模型考虑预应力作用, 预应力钢筋采用杆单元初应变法模拟, 张拉控制应力为837 MPa。锚固区作用索力选取静力作用下的最大索力, 转换为等效面荷载作用在相应锚块面上。有限元模型图和桥塔材料参数分别见图3和表1。

4 计算结果分析

图4是桥塔横截面3个剖面位置, 图5a) ~图5f) 分别是相对应位置的主拉和主压应力云图。

由图5a) , 5b) 可以看出, 锚块附近有很严重的应力集中现象, 越靠近拉索管道, 应力值越大, 并且锚块桥梁连接处角隅位置还出现了拉应力。由图5c) , 5d) 则可观察到, 锚块内部较大压应力主要集中在拉索管道与锚块咬合部位, 但该部分基本没有拉应力出现。而从图5e) , 5f) 可以看出, 应力由塔壁两侧到塔中线逐渐增大, 并在塔中线位置出现了很大的压应力集中现象。另外, 还可以从图5看出, 桥塔锚固区应力集中现象在接近塔顶位置较为严重, 并且应力值较大。随锚固区节段的下移, 应力集中现象逐渐减轻, 数值减小。其原因可能在于塔顶位置的索力较大, 倾角较小。

5 结语

本文以温州某混凝土斜拉桥为背景, 分析了桥塔锚固区受力情况。

分析结果表明:

1) 锚块附近有应力集中现象, 锚块与桥塔连接处角隅位置可能出现拉应力;

2) 拉索管道与锚块咬合处有较大集中的压应力;

3) 桥塔纵桥向面中线附近有较大集中的压应力存在;

4) 应力集中现象和数值在塔顶位置较为严重, 随锚固节段的下移, 应力集中现象和数值逐渐减轻。

设计师在进行桥塔锚固区设计时, 应注意以上几处应力集中位置, 加强钢筋配置。

摘要：以温州某混凝土斜拉桥为背景, 对斜拉桥桥塔锚固区受力进行了分析, 并采用大型通用有限元软件ANSYS建立空间实体1/4轴对称模型, 应用等效面荷载加载, 分析得出在锚块附近、拉索管道与锚块咬合处和塔纵桥向侧中线会出现压应力集中现象, 在锚块与桥塔结合处角隅处可能出现拉应力的结论。

关键词：斜拉桥,锚固区,有限元分析,应力集中,拉索

参考文献

[1]刘路.斜拉桥索塔锚固区节段受力特性研究[D].重庆:重庆交通大学, 2009.

[2]叶兰洲.斜拉桥索塔锚固区受力性能研究[D].西安:长安大学, 2012.

[3]白光亮.大跨度斜拉桥索塔锚固区结构行为与模型试验研究[D].成都:西南交通大学, 2009.

[4]严少波, 裴丙志.斜拉桥索塔拉索锚固区空间应力分析模型[J].国外公路, 2001, 20 (3) :22-24.

[5]高宝, 马越峰, 史方华, 等.之江大桥主桥空间有限元受力分析[J].公路, 2003 (8) :79-83.

锚固区混凝土 篇2

斜拉桥索塔锚固区受到斜拉索力、环向预应力以及外部荷载作用,结构受力复杂。现行规范对该处的设计未有明确的设计计算方法,从目前索塔锚固区研究分析看,主要有3种手段:(1)实体有限元分析;(2)简化框架分析;(3)节段足尺模型试验。这3种方法,方法1需采用空间实体建模,计算工作量大,同时对于边界条件及钢束较难处理,在一些局部也存在应力失真;方法2采用框架分析,仍然采用符合平截面假定的梁计算模式,而从桥塔构造看,各边长度和厚度(类似于梁的高跨比)比值较大,已经属于深梁(D区),其受力模式已经不符合平截面假定,与传统梁(B区)受力模式有较大不同,因此采用这种分析方法与结构实际受力还有差异;方法3采用试验手段,能够较好地模拟出锚固区的受力,但是同样需要处理好边界条件,同时该方法成本较高,时间相对较长。基于上述分析方法存在的问题,本文提出了将拉压杆模型(Strut-and-Tie Model)应用到索塔锚固区的计算中,快速分析锚固区所需配筋。

2 拉压杆模型

(1)混凝土桥梁中的分区

在混凝土梁桥的设计计算中,国际工程界趋向于将结构划分为B区和D区分别对待[1,2,3]。

B区[4]是指截面应变分布基本符合平截面假定的结构区域,B表示Beam或Bernoulli,它们的截面应力状态可以通过内力得出。在未开裂时,截面应力可借助于截面性质(如面积、惯矩等)来计算,开裂后,则可应用桁架模型来分析。

D区是指截面应变分布呈现明显非线性的结构区域,这些部位具有几何构造上的不连续或力流受挠动的特点,D表示Discontinuity或Disturbance。从弹性阶段开始平截面应变假定在这些区域就已不再成立,随着荷载的增加,梁截面的抗弯塑性发展模型不能够揭示其破坏机理。

我国目前的混凝土桥梁设计规范中,主要针对混凝土梁桥的B区[5],按受弯构件来设计,其正常使用极限状态和承载能力极限状态的计算均以截面分析为基础,对于混凝土梁桥的D区设计问题,有部分涉及,比如在承台计算中提到的撑杆-系杆体系,以及在盖梁计算及局部承压计算中有所体现,但是未明确提出D区的结构和受力特点。桥梁工程的实践表明,由于D区在几何构造和受力上的复杂性,加上缺乏规范的设计指导,使得凭经验设计的D区常常出现结构性裂缝。

在桁架模型基础上发展而来的拉压杆模型(strut-and-tie models)被广泛认为是D区设计的一种简单而实用的新方法,是D区尺寸拟定和配筋设计的有力工具[6,7]。

混凝土桥中的D区主要包括一些局部受力的区域,比如支座附近;变截面连续梁中支点横梁;钢铰线锚垫板锚下区域;预应力钢束的齿块和槽口区域;以及高跨比较大的柱式盖梁(深梁),悬臂梁,群桩混凝土承台,混凝土牛腿等。斜拉桥混凝土桥塔,从构造看,其各边边长和厚度的比值均比较小,从拉索对塔壁作用看,其特点与深梁较为接近,符合D区的受力特点。

(2)D区设计的拉压杆模型法

拉压杆模型是从连续体内抽象出的离散桁架模型,由压杆、拉杆和节点组成(见图1),用以反映内部力流的传递。ACI318委员会给出的拉压杆模型的定义为[3]:拉压杆模型是结构混凝土D区的桁架模型,由相交于节点的拉杆和压杆组成,能够把荷载传递到支座或是相邻的B区。

(1)压杆。压杆代表压力场的合力,压杆的形状根据压力扩散情况,可以是棱柱形、瓶形或者扇形[4]。可按轴压构件验算压杆的承载力。压杆的有效截面积取决于端部支承、锚固、受力和几何边界条件。

(2)拉杆。拉杆是受拉构件,一般由普通钢筋或预应力钢筋构成。在进行拉杆承载力验算时,拉杆的应力取为钢筋的屈服应力。同时,钢筋的锚固长度必须满足要求,以避免锚固失效的情况发生。

3 拉压杆模型在索塔锚固区应用

3.1 桥梁概况

京杭运河特大桥为江都至六合高速公路扬州境内跨越京杭运河的一座特大桥,主桥采用108 m+248 m+108 m双塔双索面PC斜拉桥,桥宽37.1 m,采用H型桥塔,平行索面,上塔柱构造见图2:

塔柱外形纵向×横向:550 cm×350 cm,拉索锚固区端壁厚135 cm,侧壁厚80 cm,索塔锚固采用槽口方式。

3.2 拉压杆在索塔中应用

根据上塔柱的构造,端壁长度350 cm,厚度135 cm,考虑侧壁厚度后,端壁跨高比为2,属于深受弯构件,在拉索作用下结构受力符合D区受力,因此笔者可以将拉压杆模型应用到索塔锚固区的计算中,计算端壁的拉杆区的预应力配置。

拉索力以均布力形式作用于锚垫板上,再由锚垫板传至索塔端壁。对于拉杆位置,本次不考虑拉杆区的混凝土抗拉作用,因此将端壁钢丝束的中心作为拉杆作用中心。侧壁拉住端壁两端,形成对端壁的支承作用,对于压杆的位置,可将锚垫板外边缘点与拉杆线和侧壁中心线交点相连,对于本桥两点连线与拉杆夹角为43°,见图3。

拉压杆计算模型如下:根据主桥整体计算,拉索最大索力F=6 500 kN,拉索倾角a=29°,见图4。

拉索水平力Fx=F×cos29°=6 500×cos29°=5 685 kN。如图3所示,锚垫板上水平均布力q=Fx A,其中A为锚垫板面积;根据力的平衡:

侧壁由于边长较短,为减小预应力损失,设计采用光面钢丝束,由于拉索竖向间距1.5 m,在1.5 m范围内均布4束36根的5 mm直径光面钢丝,强度:fpk=1 670 MPa,Ep=2.05×105MPa,锚下张拉控制应力:f=1 250 MPa,钢丝束的总面积S=4×36×19.6=2 822 mm2。一个索节段钢丝束提供的预加力为Y=f×S=1 250×2 822=3 528 kN>T=3 048.4 kN,采用这种方式,一方面考虑到钢丝束的均匀分布,跟拉杆所模拟的集中力有所差别,另一方面要确保混凝土要预留部分预压力,因此采用了较大的钢丝束配置。由于设计预压力大于拉压杆计算拉力,因此拉杆附近混凝土仍然要承受部分压应力。

为了验证计算结果,本次采用ANSYS空间有限元进行了实体分析,取索塔单位高度1.5 m分析,采用索力以均布力作用于锚垫板上,边界条件取底面竖向约束,水平向取2个侧壁中心点分别约束纵横向和横向,预应力作用通过在锚点处施加集中力模拟,塔柱节段模型及应力图见图5,应力迹线见图6。

从图5看出,对于混凝土应力,拉杆附近处混凝土均受压,应力1.28～2.2 MPa。

从图6看出,在索力作用下,结构的主应力迹线与拉压杆模型所模拟的结构受力基本一致。

为了对比拉杆附近混凝土应力计算结果,本次将预应力钢丝预加力在扣除索力引起的拉杆力后,以集中力方式加载到锚点,计算结果显示,在拉杆附近混凝土的压应力为1.36 MPa左右,见图7,与图5所示计算结果基本一致。

通过有限元分析验证,采用拉压杆模型对索塔锚固区进行预应力配筋设计是可行的。

4 结语

本文初步研究了将拉压杆理论用于混凝土斜拉桥索塔锚固区,将主压区混凝土用压杆模拟,主拉区采用拉杆模拟,进行受拉区的预应力配筋设计,同时结合实体有限元进行验证,通过对比分析,采用拉压杆模型能够较好地模拟索塔锚固区的受力,用该方法能够快速计算出所需的预应力钢筋。

摘要：该文将拉压杆模型应用到符合桥梁D区特点的斜拉桥索塔锚固区分析中,简化了索塔锚固区的预应力钢束的设计,采用该方法能够快速计算出锚固区的预应力钢束,为后续混凝土斜拉桥的类似设计提供了参考。

关键词：混凝土斜拉桥,索塔锚固区,拉压杆模型

参考文献

[1]AASHTO.AASHTO LRFD Bridge Specifications(third edition)[S].Washington:American Association of State Highway and Transportation Oficials,2004.

[2]CSA Internationa1.Canadian Highway Bridge Design Code,National Standard of Canada CAN/CSA-S6-00[S].2000.

[3]ACI Committee318.Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary(ACI318M-05)[S].American Concrete Institute,2005.

[4]刘钊,吕志涛,惠卓,等.拉压杆模型在混凝土梁桥中应用与研究进展[J],中国工程科学,2008,10(10):14-21.

[5]JTG D62—2004公路钢筋混凝土桥涵设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[6]ASCE-ACI Committee445.Recent approaches to shear design of structural concrete[J].Journal of Structural Engineering,1998,124(12):1375-1417.

锚固区混凝土 篇3

关键词：抗震,钢筋,锚固,长度

1 问题提出

在《混凝土结构设计规范》和《混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图》中, 规定了不同抗震等级时的钢筋锚固长度和搭接长度, 这对于已经确定了抗震等级的混凝土结构非常方便和实用, 但对于砌体结构, 并没有任何规范、图集或者图纸规定其抗震等级, 那么砌体结构中的梁、柱等混凝土构件中的钢筋锚固长度如何确定呢?这让很多施工人员、监理人员以及造价人员感到迷惑。文章根据混凝土结构和砌体结构的受力原理以及钢筋锚固机理, 探讨抗震区砌体结构钢筋锚固长度的确定方法。

2 解答思路

要解决上述问题, 首先要弄清钢筋的锚固机理, 以及对于地震区的混凝土结构房屋采用抗震锚固长度的原因, 通过抗震等级调整抗震锚固长度的方法, 以及砌体结构中的混凝土构件的地震效应原理。

3 钢筋锚固机理

3.1 钢筋基本锚固长度

《混凝土结构设计规范》第8.3.1条规定, 当充分利用钢筋的抗拉强度时, 受拉钢筋的基本锚固长度

其中fy和ft分别表示钢筋和混凝土的抗拉强度, a表示与钢筋外形有关的系数, d表示钢筋的直径

根据公式 (1) 可知, 钢筋的强度越大、直径越大、表面越光滑时其锚固长度也越大, 而握裹钢筋的混凝土强度越高则钢筋的锚固长度反而越小。考虑到施工扰动、保护层厚度等其他因素的影响, 受拉钢筋的锚固长度调整为

其中ζa表示与上述其他因素有关的锚固长度修正系数。显然, 《混凝土结构设计规范》第8.3.1条考虑了在静力作用下时影响钢筋锚固的各项因素。

3.2 钢筋抗震锚固长度

当混凝土结构受到动力 (地震) 作用时, 由于地震作用的方向效应是随机的、反复的, 钢筋锚固端可能处于拉、压反复受力状态或拉力大小交替变化状态, 其粘结锚固性能较静力粘结锚固性能偏弱 (锚固强度退化, 锚固段滑移量偏大) 。在进行锚固抗拉试验的基础上, 结合国外规范的规定, 《混凝土结构设计规范》第11.1.7条规定, 对处于地震区的房屋结构, 纵向受拉钢筋的抗震锚固长度:

其中为抗震锚固长度的修正系数, 对一、二、三、四级抗震等级分别取1.15、1.15、1.02、1.0, 可见, 抗震等级越高的结构中, 钢筋锚固长度越长。

3.3 钢筋长度与抗震能力关系

由以上原理可以推断, 抗震等级越高的房屋结构, 其钢筋锚固长度越长。说明随着抗震等级的提高, 钢筋锚固强度退化趋于严重, 锚固段滑移量趋于增大。这是由于钢筋锚固端处于拉、压反复受力状态或拉力大小交替变化状态时, 应力幅是随着抗震等级增高而增高的。《建筑抗震设计规范》第6.1.2条规定, 钢筋混凝土房屋应根据设防类别、烈度、结构类型和房屋高度采用不同的抗震等级, 结合《建筑抗震设计规范》表6.1.2可知, 设防烈度越大、房屋高度越大、结构的柔度越大时房屋的抗震等级越高, 钢筋锚固段应力幅越大, 锚固段滑移量越大, 为保证钢筋有效锚固所需要的锚固长度也越大。

4 地震效应比较

混凝土结构类型中, 主要有框架结构、框架-抗震墙结构、抗震墙结构等, 这些结构类型与砌体结构相比, 都具有以下几个特点: (1) 建筑物总高度较大; (2) 抗侧力构件的总截面积较小; (3) 在地震作用下, 楼层水平位移较大, 层间位移角较大; (4) 框架梁与框架柱以刚节点相连接, 节点可以传递弯矩。砌体结构中, 见《砌体结构设计规范》4.2节, 无论是弹性方案还是刚弹性方案或者刚性方案, 砌体墙对楼盖的约束都可看成固定铰支座, 该约束节点无法传递弯矩。

5 钢筋锚固效果比较

由以上分析可知, 混凝土结构在受到水平地震作用时, 其框架柱、抗震墙等抗侧力构件发生侧向变形, 将会造成梁端角位移 (见图1、图2) 。当设防烈度、房屋高度、结构的柔度其中任意一项增大时, 梁端角位移均有不同程度增大, 从而造成梁端钢筋锚固段滑移量增大 (见图3、图4) 。

砌体结构受到地震作用时, 其主要抗侧力构件为砌体墙和少量构造柱。墙顶与楼盖通过砂浆连接, 由于砂浆的抗拉强度极小, 所以墙顶对楼盖的约束可看做固定铰支座 (见图5) 。当抗侧力构件墙体受震发生水平位移时, 楼盖在一定程度上可绕墙自由转动, 此时钢筋的锚固端没有直接受到地震效应的影响 (见图6) 。

6 结论

根据以上分析, 可以初步得出以下主要结论: (1) 混凝土结构中, 考虑到当混凝土结构受到动力 (地震) 作用时, 钢筋混凝土构件锚固强度退化, 锚固段滑移量偏大.对不同的设防烈度、房屋高度、结构类型进行不同的锚固长度调整, 用以反映结构受力的真实状况, 进而保证结构具有一定的可靠度; (2) 砌体结构中的楼盖与抗侧力构件与楼盖以铰接方式相连, 其受到动力 (地震) 作用时, 楼盖中的混凝土构件基本不受影响, 故无需调整楼盖中的锚固长度; (3) 砌体结构中的抗侧力构件由于直接承受动力 (地震) 作用, 其钢筋锚固段、搭接长度段也有可能处于拉、压反复受力状态或拉力大小交替变化状态。但由于砌体结构高度小, 抗侧力构件总刚度较大, 房屋侧向位移较小, 故其钢筋锚固段、搭接长度段滑移量一般较小, 根据某抗震等级四级框架结构与类似砌体结构侧向位移相比较, 砌体结构侧向位移量较小。出于安全角度考虑, 对于砌体结构中抗侧力构件的抗震锚固长度、抗震搭接长度可参考混凝土结构四级抗震等级的数值取值; (4) 为方便施工, 可将地震区砌体结构中楼盖和抗侧力构件的钢筋锚固长度统一按混凝土结构四级抗震等级取值。

参考文献

[1]砌体结构设计规范[S].GB 50003-2001.

[2]建筑抗震设计规范[S].GB 50011-2010.

钢拱塔斜拉索锚固区局部应力分析 篇4

江苏省宜兴市荆邑大桥是1座钢拱塔斜拉桥(见图1),跨径为173 m。主副塔相衬成双套拱,主塔高73.6 m,倾角8°;副塔高61.7 m,倾角17°。主塔和副塔均为八角形钢箱,外包圆弧形导角,主塔长宽为4.0 m×3.5 m,副塔钢箱长宽为3.5 m×3.0 m。主副塔钢箱壁厚均为30 mm,塔内设竖向加劲肋和横向环向加劲肋。主副塔之间采用钢拉杆连接,拱塔上的索距2.2～2.6 m,钢拉杆与斜拉索一一对应。

钢拱塔锚固区采用耳板锚固形式,耳板焊接于钢箱拱中横隔板上。由于钢拱塔和斜拉索、拱间拉杆形成空间结构,使得锚固区内相应板件的构造较为特殊,尺寸很不规则,且板件多、空间少、制作困难。锚固区板件最大厚度达到40 mm,最小厚度也有22 mm,焊接量、残余应力与残余变形大,力学特性复杂。因此,有必要对钢拱塔锚固区的受力性能进行系统地研究。

1 计算模型

1.1 有限元力学模型简化

根据该桥中索塔锚固区的结构形式和受力大小,选取受力最为不利的一个节段进行空间分析。采用大型通用有限元程序ABAQUS建模,结构的几何模型和有限元模型见图2。由于桥塔为全钢结构,模型采用三维壳单元S4R单元,即4节点四边形有限薄膜应变线性减缩积分壳单元进行建模。该单元性能稳定,适合进行线性、大转角或非线性大应变分析。考虑到结构构件的尺寸,选择单元划分尺寸为0.02 m,并在耳板及其附近进行了加密,其单元划分尺寸为0.005 m。

1.2 计算载荷

将索力和钢拉杆力作为外载荷作用于耳板上,考虑应力的扩散作用,外载荷按1/4圆弧上的均布线荷载作用于耳板轴孔的前端。斜拉索索力取设计值2 004.749 kN,钢拉杆拉力取设计值2 282.616 kN。

2 计算结果及分析

2.1 结构整体应力情况

结构整体Mises应力见图3。由图3可以看出,索塔锚固区的传力途径较为清楚,在钢拉杆拉力和斜拉索索力作用下,荷载由耳板及其加劲板传递到横隔板和塔壁上,并最终由塔壁吸收。整个模型均只承受拉应力,而不承受压应力,最大拉应力出现在耳板内侧,即耳板与插销的接触处,为166.5 MPa。

2.2 各板件应力情况

2.2.1 耳板应力情况

选取应力水平更高的钢拉杆锚固耳板,其Mises应力见图4。由图4可以看出,钢拉杆的拉力通过插销作用于耳板上,耳板拉应力最大处也是模型拉应力最大处,其在耳板轴孔内侧,即与插销接触的部位及其附近区域,此处应力最大值为166.5 MPa,应力水平相对其他部位要大,成为耳板设计的控制部位。此外,耳板加劲板之后与拱塔壁之前的这一段区域,其应力水平也较高,局部在120 MPa以上。由此可知,耳板的应力水平与结构的其他部位相比是最高的,因而成为整个锚固区设计的控制部位。

2.2.2 耳板各加劲板应力情况

耳板各加劲板的Mises应力见图5和图6。从图中可以看出,1、1' 加劲板较为成功地起到了应力分流的作用,使耳板前端的应力更好地传递到了拱塔壁,其自身应力水平不高,最大Mises应力为110 MPa左右;2、2' 加劲板应力水平较低,其作用主要是加强耳板、横隔板和拱塔壁的连接,以增强整体性。

2.3 主要焊缝应力情况

由于该结构中的焊接全部采用全熔透焊,焊缝的应力从理论上讲就是根据结构模型求得的板件连接处的应力。考察焊缝的应力情况,只需考察板件连接处节点的Mises应力即可。

2.3.1 耳板与拱塔壁焊缝应力情况

耳板与拱塔壁焊缝应力见图7。由图7可以看出,该焊缝两端应力较大,约为90 MPa,中部应力较小,并在与3段耳板加劲板相交处及附近出现局部应力峰值。该焊缝总体应力水平不高,且长度短于耳板与横隔板焊缝,为次要承力焊缝。

2.3.2 耳板与横隔板焊缝应力情况

耳板与横隔板焊缝应力见图8。由图8可以看出,该焊缝的应力水平均在50 MPa以上,且随着与O点距离的增加而逐渐增大,在距离O点800～980 mm时,焊缝应力升高较快,最大达116.293 MPa。该焊缝总体应力水平较高,且相对较长,是主要承力焊缝。

3 结论

3.1 宜兴市荆邑大桥耳板式锚固结构总体应力水平不高,大部分区域Mises应力<100 MPa,承载能力满足设计要求。

3.2 各板件和焊缝的应力在局部区域数值较大,但扩散较快,应力传递流畅。耳板的应力水平最高,故由耳板控制设计。

3.3 适当增大耳板的厚度和长度,能有效地降低结构的应力水平,提高该耳板式锚固结构的承载能力,可在设计中予以考虑。

摘要：以实际工程为背景,利用有限元分析软件ABAQUS建立了桥梁钢拱塔斜拉索锚固区局部构件的空间计算模型,对承受最大索力和钢拉杆力的锚固段进行了有限元静力分析,研究了该锚固区各板件及焊缝的应力分布及大小。结果表明,该耳板式锚固结构传力流畅,力在各板件和焊缝上分布较均匀,耳板应力水平最高,由耳板控制设计,适当增加耳板厚度和长度可以提高结构承载能力。

关键词：斜拉桥,钢拱塔,锚固区,局部应力,有限元

参考文献

[1]吴冲.现代钢桥[M].北京:人民交通出版社,2006.

[2]单炜,李玉顺,于玲,等.异型截面斜拉桥索塔锚固区节段足尺模型试验研究[J].中国公路学报,2005,18(3):60-65.

[3]金晶,吴新跃.有限元网格划分相关问题分析研究[J].计算机辅助工程,2005,14(2):75-78.

斜拉桥索梁锚固区受力性能分析 篇5

斜拉索强大的索力斜向并集中地作用于斜拉桥的主梁锚固点,斜拉索的锚固结构必须能顺畅地将索力传递给主梁,因此斜拉索的锚固结构是斜拉桥的关键部位,斜拉索锚固的可靠与否直接关系到整个大桥的安全度。

1 斜拉索与钢梁的错固型式及工程实例

斜拉索与钢梁的锚固型式有:散索鞍座加锚固梁、锚箱式、支架或牛腿、锚管式、耳板式、锚拉板式。其中锚拉板式具有结构简单、受力明确、施工简单、便于加工、易于维护等优点,近年来在国内外各斜拉桥都常见此种索梁锚固方式。锚拉板连接是将钢板作为锚拉板,直接焊接在钢主梁上缘顶板上,锚拉板由上、中、下三部分组成,锚拉板上部开槽,槽口内侧焊于锚管外侧,斜拉索穿过锚管并用锚具锚固在锚管底部;锚拉板下部直接用焊缝与主梁上翼板焊接;锚拉板中部除了满足安装锚具的空间需要之外,还需连接上、下两部分。为了补偿开槽部分对锚拉板截面的削弱,以及增强其横向刚度与整体性,锚拉板的两侧焊接加劲板。另外,为确保索力均匀地传给主梁,与锚拉板连接区域的主梁上翼板加厚,钢主梁腹板增设加劲板。

某大桥是一座特大型斜拉桥,桥梁全长1818.96m,主梁采用工字形钢梁,主梁中心间距34m,中间设3道小纵梁,横梁间距3.4m。斜拉索在主梁上的锚固采用锚拉板形式,主梁上锚点间距12m。主桥采用双塔双索面,H形索塔。

2 有限元计算分析

锚拉板作为斜拉索与钢主梁连接的主要受力构件,是全桥的主要受力点,锚固区域受力集中、结构复杂,是控制设计的关键部位。索梁锚固区受力十分复杂,对其纯理论上的应力应变分析几乎是不可能的,甚至对局部构件的应力应变分布特征进行理论上的判断有时也相当困难,这就要求进行力学模型试验。同时,现代电子技术的发展日新月异,各专业应用程序的开发层出不穷,这就为应用有限元技术分析复杂的受力结构提供了条件。为了弥补模型试验随机性大、成本高、周期长的欠缺,使试验与数值分析相结合,利用有限元分析软件ANSYS对斜拉桥锚拉板式索梁锚固结构空间受力性能进行分析,并与试验结果进行比较,探索索梁锚固区的索力传递机理、应力分布状况。

2.1 有限元模型的建立

(1)钢材料非线性特性及应力一应变关系的确定。

求解塑性问题的困难主要来自应力一应变关系的复杂性。为了使求解塑性问题成为可能,除了对材料的塑性行为作必要的假定之外,还需要对应力一应变关系曲线加以理想化,也就是根据不同的问题对实际材料特性作不同的简化。常用的有以下一些简化模型:理想弹性、理想刚塑性、刚线性强化、理想弹塑性、弹一线性强化。为了考虑钢材的强化特性和使非线性求解不致发生困难并综合已有的狡算经验,本文选取弹一线性强化模型,考虑1%强化。

(2)强化模式的确定。

众所周知,材料的后继屈服应力一般将随塑性应变的增加而增加。同时,一个方向上后继屈服应力的这种变化(强化),将会引起相反方向上后继屈服应力的变化(强化或弱化)。这是一个很复杂的问题,为了数学上处理的方便,当前经常采用的简化模型有以下几种:等向强化模型,随动强化模型、组合强化模型。为了克服随动强化模型将包兴格效应绝对化的缺点,更合理地反映材料的真实特性,可以将上述两个模型组合起来而形成组合强化模型,如图1所示,本文选取组合强化模型。

2.2 非线性方程组的求解

在非线性有限元分析中,不论几何非线性、材料非线性,还是边界条件非线性,最后都归结于非线性方程组的求解。本文采用ANSYS程序提供的方法,ANSYS程序提供了多种求解方法可供选择,并且还有一系列措施来增强收敛性,程序通过使用NEWTON-RAPHSON平衡迭代克服纯粹增量式求解的误差积累缺点,它强迫在每一个荷载增量的末端解达到平衡收敛。在每一次求解前,先估算出残差矢量(对应于单元应力的荷载和所加载的荷载的差值),然后用非平衡荷载进行线性求解,且检查收敛性。如果不满足收敛准则,重新估算非平衡荷载,修改刚度矩阵,得到新解,直到收敛。在N-R方法中,程序提供了三种选择:完全NEWTON-RAPHSON方法、修正NEWTON-RAPHSON方法和等刚度迭代法。

在与时间无关的结构分析中,程序利用时间步及荷载步来与荷载对应。在本文求解中,为了对加载过程实施较为全面的控制,将荷载分成若干个子步,每个子步最多允许500次迭代。如果结构的行为从线性变化到非线性,或者想要在系统响应的非线性部分变化时间步长,可以激活自动时间步长,程序将根据需要自动调整时间步长,获得精度与代价之间的良好平衡。正是由于采用了自动时间步长,本计算过程大大缩短,但同时带来的问题是,出现了较大的子步,使子步之间的计算结果无法获取。

2.3 选取的单元类型

斜拉桥钢梁类似薄壁结构,用壳单元来模拟。本文选取ANSYS单元库中的SHELL181单元。该单元模拟薄壳及中等厚度的壳结构具有较高的精度。SHELL181单元有4个节点,每个节点具有6个自由度,分别是UX、UY、UZ、ROTX、ROTY和ROTZ,如图2所示。

荷载均匀施加到锚筒底圆周上,荷载方向为锚筒轴向,加载力为Fmax=1150kN。锚拉板有限元计算模型网格划分采取自由网格划分方法,单元采用四边形,为适应曲边界采取局部网格加密[1,2,3]。

3 结论

(1)通过有限元计算分析和应力实测表明,最大主拉应力出现在锚拉板与锚拉筒的连接圆弧处,此处存在明显应力集中。

(2)锚拉板下部与桥面板的焊缝连接区总体应力水平较低。

(3)有限元方法的作用是:对结构进行受力分析,在设计或施工前预知结构的危险区段,预测结构的大概破坏情况,从而采取相应的措施解决。

摘要：斜拉桥索梁锚固区受力性能复杂，锚拉板作为斜拉索与钢主梁连接的主要受力构件，是全桥控制设计的关键部位。本文对斜拉桥锚拉板式索梁锚固结构空间受力性能进行数值分析，得出了一些有价值的结论，为今后类似工作提供了理论依据。

关键词：斜拉桥,索梁锚固,锚拉板,受力性能,数值分析

参考文献

[1]侯文崎，叶梅新．结构梁斜拉桥锚拉板结构研究[J]．钢结构，2002，17(2)：23-27．

[2]潘慧敏，李小珍．某斜拉桥索梁锚固结构有限元分析[J]．四川建筑，2006，26(1)：99-100．

锚固区混凝土 篇6

关键词：斜拉桥,索鞍,有限元,应力

1工程概况

曹娥江大桥是浙江省上虞市三环路跨越曹娥江的重要结点工程,全长986 m左右,其主桥为三跨部分预应力混凝土双塔双索面斜拉桥,跨径布置为60.125 m+110 m+60.125 m。索鞍区是矮塔斜拉桥的关键传力部位之一,曹娥江大桥采用的是斜拉索单套管集束锚固技术(见图1)。

为了解曹娥江大桥主塔鞍座处的受力特点及应力分布,确保主塔鞍座区结构安全性及可靠性,在实桥主塔鞍座区选取一节段进行有限元模型分析并进行了索鞍试验。

2实桥荷载试验

2.1 测点布置

为测试结构内部应力分布,拟选择C1,C4和C7为试验索孔,在结构内部布置多个测点,主要布置于索孔下方及两侧,在顺弯管轴线方向布置2个测试横断面(见图2),测试仪器采用混凝土应变计。由于桥塔两个塔柱和鞍座形成框架,在塔柱中将由于角隅处的转动产生弯矩,为了研究塔柱在角隅处的应力状况,在桥塔的两个截面埋置混凝土应变计,按照每个截面4个混凝土应变计,共计8个。图中断面Ⅰ和断面Ⅱ为鞍座应力测试断面,断面A和断面A′为塔柱应力测试断面。整个试验共布置2×3×9+12+6+8=80支混凝土应变计。

2.2 试验荷载工况

工况1:初张拉索力及张拉预应力;工况2:张拉C3索;工况3:张拉C7索;工况4:张拉C6索;工况5:张拉C5索;工况6:张拉C4索;工况7:张拉C2索;工况8:张拉C1索;工况9:恒载;工况10:恒载+活载。

3理论计算分析

有限元模型中X轴为顺桥方向,Y轴为竖直方向,Z轴为横桥方向。单元弹模取3.45×104 MPa,泊松比取0.2。

4理论及试验结果

根据前述各工况的荷载条件进行计算,以下所列出的计算应力结果中,正号表示拉应力,负号表示压应力。

4.1 截面Ⅰ—Ⅰ计算结果与实测结果

Ⅰ—Ⅰ截面理论结果与实测结果见表1。

4.2 截面Ⅱ—Ⅱ理论及实测结果

Ⅱ—Ⅱ截面理论结果与实测数据见表2。

4.3 截面A—A与截面A′—A′理论结果与试验数据分析比较

A—A与A′—A′截面试验数据与计算结果见表3。

按JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范法向混凝土容许压应力为0.5fck=16.2 MPa,主压应力容许值为0.6fck=19.4 MPa。

Ⅰ—Ⅰ截面法向压应力实测和理论计算最大值、Ⅰ—Ⅰ截面测点处竖向压应力测点处实测和理论计算最大值、Ⅱ—Ⅱ截面测点处竖向压应力实测和理论计算最大值、Ⅱ—Ⅱ截面法向压应力实测和理论计算最大值均小于容许值。

Ⅰ—Ⅰ截面孔道下方横向劈裂应力实测和理论计算最大值分别为2.56 MPa和3.05 MPa;Ⅱ—Ⅱ截面孔道下方横向劈裂应力实测和理论计算最大值分别为2.16 MPa和1.76 MPa。

A—A和A′—A′测试断面全截面受压,最大法向压应力实测值和计算值分别为10.67 MPa和8.20 MPa,符合要求。最大主拉应力为0.77 MPa,最大主压应力为9.17 MPa。

Ⅰ—Ⅰ,Ⅱ—Ⅱ截面最大主压应力分别为9.9 MPa和13.0 MPa,符合要求;Ⅰ—Ⅰ,Ⅱ—Ⅱ截面最大主拉应力仅出现在孔道周边很小的区域,绝大部分区域没有出现拉应力,而且计算模型中没有考虑普通钢筋的作用,实际结构中通过应力重分布可以消除这种影响。

管下的局部混凝土在管道压力作用下,竖向产生压应力,横向产生劈裂应力,但这些效果仅出现在孔下的局部范围内,传播范围较小。各截面的法向应力从试验和理论计算数据均表现出较好的梯度,符合弯曲受力的特点。

5结语

试验结果和理论计算结果可以相互印证,证实了有限元计算的可行性及其计算结果的可信性;有限元模型计算结果表明:在圆管法向力均匀分布力作用下,孔道下受到竖向压应力,横向受到劈裂应力,但这些仅在孔下的局部区域出现;由实测和理论计算数据可知:孔下的横向有较大的横向劈裂应力,此处需布置适量的钢筋以防止开裂,并抵抗斜拉索与孔壁可能出现的不均匀接触引起的局部过大应力;鞍座和塔柱的交界处受力复杂,应力较大,此处的截面和配筋应加强。

参考文献

[1]刘钊,孟少平,藏华,等.矮塔斜拉桥索鞍区模型试验及设计探讨[J].东南大学学报,2007(3):51-52.

[2]汤少青,蔡文生,王戒躁,等.漳州战备大桥主塔鞍座处节段模型试验研究[J].桥梁建设,2002(1):15-18.

[3]官润荣,张俊平,刘爱荣,等.部分斜拉桥主塔鞍座节段模型试验研究[J].广州大学学报(自然科学版),2005(4):4-5.

锚固区混凝土 篇7

关键词：索梁锚固区,有限元,材料非线性,接触非线性,数值模拟

0 引言

大跨度斜拉桥的索梁锚固区具有受力集中、构造复杂、非线性行为突出的特点，对桥梁的整体和局部均起到控制设计的关键作用。目前采用的索梁锚固区连接方式主要有锚箱式连接、耳板式连接、锚管式连接和锚拉板式连接。

本文以安徽省徐明高速公路五河定淮大桥主桥为研究背景。该桥为一座单柱独塔混合梁斜拉桥，主跨246 m，是跨越淮河的最大跨径桥梁。设计中采用锚拉板式索梁锚固，即以钢板作为锚拉板，并由上、中、下三部分组成:竖拉板上部开槽，槽口内侧焊于支撑管外侧，斜拉索穿过支撑管并用锚具锚固在锚管底部;锚拉板下部直接用焊缝与主梁上翼板焊接;锚拉板中部除了满足安装锚具的空间需要之外，还需连接上、下两部分。为了补偿开槽部分对锚拉板截面的削弱，以及增强其横向刚度与整体性，锚拉板的两侧焊接加劲板。锚板式索梁锚固区的具体构造和各板件名称标注如图1所示。

1 索梁锚固区数值模拟

使用大型通用有限元软件ANSYS进行索梁锚固区空间仿真模拟。数值模型同时考虑两种典型非线性行为:钢锚拉板的材料非线性以及锚垫板与锚具螺母的接触非线性。

1.1 材料非线性模型

锚拉板各板件均采用Q345钢材，本文使用双线性随动强化模型(BKIN)模拟钢材的材料非线性。应力—应变关系如图2所示，分为两个线性段:应力小于材料屈服强度345 MPa时，表现为线弹性，弹性模量为206 GPa;达到材料屈服强度后，表现为完全塑性，即随着应变增大应力保持不变。实际工程中不允许结构发生过大的应变，本文不考虑材料的强化阶段。

1.2 接触非线性模型

锚垫板与锚具螺母通过压紧接触传递巨大锚下荷载，是高度的接触非线性行为，如果采用简单的使锚垫板模型与螺母模型共节点的连接方式，会对分析锚垫板受力性能造成较大的误差。这是因为实际上，由于接触面刚度分布不同和板件变形，几何接触面不会全部参与传递荷载，实际参与传递荷载的面积比几何接触面积要小，即按照几何接触面积建立共节点模型，传递荷载的面积就会比实际偏大。

为了合理的模拟这一行为，在锚垫板与锚具螺母之间建立接触单元。其中，以锚垫板表面为目标面，以锚具螺母表面为接触面。

1.3 锚固区有限元模型

基于1.1和1.2的非线性模型，建立锚固区有限元计算模型，如图3所示。根据圣维南原理，需要足够长的过渡区域保证局部分析中边界条件的准确模拟;考虑到钢主梁的对称性，选择单侧钢主梁进行研究。基于上述两点，以拉索与主梁理论交点为中心，向主梁纵向两侧各延伸8.75 m的单侧钢主梁建立数值模型。

拉索荷载的加载位置为锚头螺母的内侧，与实际受力相仿，拉索荷载按照以下原则确定:保证索梁锚固区不会先于拉索失效，即将标准破断索力折减2.5的安全系数后作为数值模型中拉索荷载P(P=3 826.4 k N)。

2 数值模拟结果分析

2.1 应力分布

依据上述数值模拟的分析，在ANSYS中得到在给定拉索荷载作用下的索梁锚固区各板件以及附近钢主梁的Von-Mises应力分布。

1)锚下区。锚垫板应力分布如图4所示，锚垫板顶面以及内环表面靠近支撑管与竖拉板下端连接处的区域有较大的应力集中，最大应力达到297.0 MPa;而与锚具螺母压紧接触的地面应力集中相对不明显，应力也相对较小，由内侧向外侧呈逐渐减小的趋势，最大值达到232.0 MPa。

由于应力集中区域较小，并且与支撑管连接的绝大部分区域应力值在166.0 MPa以下，故锚垫板N8有效地起到了将螺母传递过来的集中应力较为分散和均匀的传递给支撑管的作用。

2)锚拉板。竖拉板应力分布如图5所示，竖拉板与支撑管交线下端和竖拉板矩形开孔上方两倒角局部应力集中比较明显，最大均达到345.0 MPa的材料屈服应力。靠近顶帽板区域板件应力较小，在83.6 MPa以下。靠近钢主梁区域板件应力较小，在83.6 MPa以下。整个板件绝大部分区域的应力在158.0 MPa以下，并且应力集中能够比较均匀，平缓的传递到附近区域的板件上。

横拉板应力分布如图6所示，横拉板中间区域应力最大，并且有一定的应力集中，最大应力达到168.0 MPa;从中间区域向上应力逐渐减小，与顶帽板连接附近区域应力在40.1 MPa以下;从中间区域向下应力逐渐减小，与钢主梁连接附近区域应力在58.4 MPa以下。

支撑管应力分布如图7所示，支撑管从靠近顶帽板端到靠近锚垫板端应力逐渐增大，并且在与竖拉板下端连接区域处有较大的应力集中，最大应力达到336.0 MPa，已经非常接近材料的屈服强度345.0 MPa。同时，在与锚垫板连接区域附近也有一定的应力集中，最大应力达到264.0 MPa。除了这两处应力集中区域外，其他区域板件应力均在85.5 MPa以下。

顶帽板应力分布如图8所示，顶帽板与支撑管、竖拉板连接部位有较小的应力集中，最大应力达到93.4 MPa，绝大部分区域板件应力在63.6 MPa以下。

3)钢箱梁节段。钢箱梁应力分布如图9所示，钢箱梁仅在与锚拉板连接区域有较小的应力集中，最大值达到72.0 MPa，并且沿纵向和横向较为均匀的向周围板件传递，整体应力过渡平缓，绝大部分区域应力在40 MPa以下。

2.2 塑性应变分布

索梁锚固区仅在竖拉板局部进入了塑性变形，其分布区域如图10所示。考虑到材料最大弹性应变为1.67×10-3，而绝大部分塑性应变区域应变值在0.267×10-3以下，即该区域塑性应变为最大弹性应变的16.0%，并且区域较小，故不影响索梁锚固区整体性能。

2.3 接触效应分析

接触非线性模拟结果如图11所示。本文认为紧密接触和接触单元接触面有较小相对滑移的区域均为可靠的传力区域，该区域明显小于几何接触面积，很好的验证了1.2的分析。

3 结语

1)在所取荷载作用下索梁锚固区钢主梁横隔板、腹板及顶底板也出现一定的应力集中，但扩散迅速均匀，整体应力水平较低。2)在所取荷载作用下索梁锚固区锚拉板横拉板、顶帽板应力水平较低;竖拉板、支撑管及锚垫板N8应力水平较高，应力集中明显。3)分析表明索梁锚固区存在两个明显的应力集中区域，已达到屈服应力并进入塑性状态:竖拉板矩形开孔上方倒角部位以及竖拉板与支撑管交线下端部位。两个应力集中区域很小，进入塑性变形程度不大，可以得到有效扩散，对索梁锚固区整体受力性能影响较小。4)锚垫板N8有效地起到了将螺母传递过来的集中应力较为分散和均匀的传递给支撑管N4的作用。5)该索梁锚固区传力途径明确，无大范围应力集中，性能较为可靠。6)本研究可为徐明高速公路五河定淮大桥主桥索梁锚固区设计提供理论依据，并可以作为同类结构分析和使用的参考。

参考文献

[1]顾安邦.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,2008:238-346.

[2]颜海,范立础.大跨度斜拉桥索梁锚固中的非线性接触问题[J].中国公路学报,2004(15):70-71.

[3]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,2005,21(6):28-32.

[4]梁爱霞.矮塔斜拉桥斜拉索结构和受力行为研究[D].成都:西南交通大学,2009.