李少华 李倩 安徽省交通控股集团有限公司 交通运输部公路科学研究院
摘要：群索塔锚固体系是将索锚固在塔柱间钢梁上的一种新型索锚固方式，目前对其力学性能研究较少。本文以池州长江大桥为研究对象，利用有限元软件Abaqus建立空间模型，考察结构在不同荷载组合下的受力性能及1.7倍最不利设计荷载下的安全储备，并重点对锚杆处及钢梁处的应力进行分析，结果均在规范要求范围内。针对群索塔锚固区复杂的受力状态，本文对索塔锚固区进行了缩比模型试验，试验结果与有限元分析结果基本一致。 将试验结果与有限元分析结果进行对比,进一步明确了索塔锚固区的实际受力及变形情况,验证了该结构的稳定性,为群体锚固体系的广泛应用提供了参考。
关键词：锚固体系；分组与聚类；有限元分析；缩比模型试验；
斜拉桥索塔是主要承受轴向力的压弯结构。索塔锚固区是斜拉桥的关键部位，拉索的强局部集中力需要通过此部位安全可靠地传递到塔柱上。此区域受力状态复杂，是斜拉桥设计和施工的重点和难点。锚固方式与拉索的排列方式、拉索根数及形状、塔身造型及结构等密切相关。从已建桥梁看，斜拉索大多锚固在主塔柱上，包括环向预应力、钢锚梁和钢锚箱三种锚固方式。
环向预应力锚固法是传统的索塔间锚固方法，在许多大跨度斜拉桥中得到了广泛的应用。与钢锚梁、钢锚箱相比，环向预应力具有构造简单、造价低、后期维护量小等优点，但也存在施工质量和精度难以控制的缺点。这主要是因为环向预应力锚固法所有工序都需要现场高空作业，锚垫角度、预应力管定位等难以控制，且需要多次预应力。混凝土锚固结构高空浇筑难度也较大，施工完成后无法进行检查和更换。
钢锚梁锚固结构受力机理明确，混凝土塔壁拉应力较小。与环箍预应力相比，钢锚梁在工厂预制，现场安装，锚垫位置、角度可准确定位，并可定期检查、维修、保养和更换。与钢锚箱相比，钢锚梁用钢量少，对起重设备要求低，后期维护难度小，因而比较经济。钢锚梁主要缺点是对塔柱内部空间有一定要求，安装和更换拉索不方便，一般不用于空间斜拉桥。
钢锚箱是一种新型的索塔锚固结构，由于其受力方式明确、锚点定位准确、施工方便等优点，在大跨度斜拉桥中得到广泛应用。钢锚箱工厂化生产，质量有保证，锚点位置和角度容易控制，施工方便，受力相对可靠，加之检测维护方便，换缆方便等优点，具有广泛的应用前景。但也存在用钢量大、成本高、对吊装能力和安装精度要求高，锚固区混凝土易开裂等缺点，在海洋环境等对结构耐久性要求较高的区域使用时有一定的局限性。
基于以上锚固形式，结合池州长江公路大桥主通航桥结构特点，采用分组索塔锚固体系，即索锚固在塔柱间钢梁上的新型索锚固方式。索的水平力由钢梁承担，竖向力通过剪力钉、PBL键等由钢梁传递到塔壁柱混凝土。该方案锚固体系不直接作用于塔壁，可有效避免塔壁锚固区受到较大拉应力的弊端。索锚固在钢梁上集中锚固，对塔柱施工影响较小。钢梁为预制结构，可整体吊装，施工较其他锚固方式简单。基于此种锚固结构构造及受力的复杂性，以及梁安装的控制，尚无先例可循。 因此需深入研究主塔钢梁与塔柱之间的组合结构传力机理塔形钢结构，开展主塔钢梁结构及缆索塔锚钢锚箱结构力学性能研究，通过研究相关内容，确保结构在施工及运营过程中的安全性，为后续类似工程提供借鉴。
1 项目概况
池州长江公路大桥主航道桥采用非对称混合梁斜拉桥，跨径布置为（3×48+96+828+280+100）m，全桥共采用216根斜拉索。主梁为混合梁，涧阳岸采用混凝土箱梁结构，延伸至15m副跨内，其余梁段为钢箱梁。主航道桥采用在索塔处设置竖向支撑和横向抗风支撑的支撑体系，塔梁间设置阻尼器。主梁横向中点处梁高为3.5m，采用扁平流线型整体箱形截面。斜拉索采用钢绞线索。斜拉桥主塔设计为花瓶型钢筋混凝土结构，主塔结构由下、中、上塔柱和上下梁组成。
池州长江公路大桥主通航桥采用斜拉索分组锚固方式，总体布置如图1所示。单座主塔上部塔柱上设置6根钢梁，上梁间距17.0m。采用钢箱结构，斜拉索分组锚固在各上梁钢箱结构内。斜拉索按10对、10对、10对、10对、8对、6对斜拉索从上而下锚固在6根钢梁上。钢梁采用箱形截面，纵宽5.5m，横长6m，高6.8m。钢梁锚固示意图如图2所示。
图1 索锚总体布置图/m下载原图
图2 钢梁锚固示意图下载原图
综合比较发现，塔柱外钢横梁锚固方式可有效避免主塔局部受拉，同时可在工厂预制、整体吊装，施工方便，景观上也与主塔外观相匹配，因此池州长江公路大桥主通航桥采用塔柱外钢横梁锚固方式较为合适。
1 锚固体系部件有限元模型 1.1 有限元分析模型
采用有限元分析软件Abaqus建立如图3所示的整体塔及塔索段精细化有限元计算模型，锚固段从上到下依次编号为SCB NO.1、SCB NO.2、SCB NO.3、SCB NO.4、SCB NO.5、SCB NO.6。混凝土结构采用C3D4四面体实体单元模拟；锚杆及钢筋采用B31二节点梁单元模拟，钢筋采用嵌入功能嵌入混凝土中；钢结构采用S4R壳单元模拟（如图4所示）。S4R单元适用于建立非线性、翘曲、中厚度板壳模型，每个节点有6个自由度，3个平动自由度，3个转动自由度，具有应力刚化、大变形、大应变的特点。
由于塔锚固区钢板空间关系复杂，计算模型采用四边形与三角形混合划分单元，适当减小单元尺寸，以提高计算精度。
钢梁与混凝土塔柱通过锚杆连接，锚杆先与不同形式的垫片连接，再与钢板或混凝土连接，从钢梁内侧到混凝土外侧共设置4层不同形式的垫片，如图5所示。
2.2 接触条件
钢梁外侧压板上焊接有大量剪力钉和短钢筋，使钢梁与混凝土紧密连接。钢梁与混凝土的连接可采用以下两种方式实现：
图3 混凝土塔索及钢梁结构示意图下载原图
图4 S4R单元示意图下载原图
图5 垫片设置示意图下载原图
（1）钢梁与混凝土通过锚杆、大量剪力钉及短钢筋连接，可以认为二者为完全剪力连接，不发生相对滑移。
(2) 压板与混凝土间建立法向和切向接触单元：法向单元采用硬接触，即接触面间能够传递的接触压力是不确定的，当接触压力为零或负值时，分离两种接触并取消相应节点上的接触约束，模拟钢-混凝土法向压力；切向单元采用库仑摩擦接触，即用摩擦系数来模拟接触时的摩擦特性。摩擦系数取0.3，库仑摩擦计算公式为：
τ为临界切向力，μ为摩擦系数，p为法向接触压力。在切向力达到临界切向应力之前，摩擦面间不会发生相对滑动，接触连接如图6所示。
图6 混凝土与钢梁连接示意图下载原图
2.3 设计条件
为考察结构在不同荷载组合下的受力性能及1.7倍最不利设计荷载下的安全储备，分析两种工况：
（1）工况1：重力+螺杆拉力+梁竖向反力+索力+侧向风载+温度载
（2）工况2：为工况1的1.7倍。
3 锚固段受力特征分析
选取最不利钢梁SCB NO.1、SCB NO.6进行节段分析塔形钢结构，采用Midas整塔等效杆系模型计算2种工况下的节段模型荷载及边界条件，具体工况下的约束及荷载条件如图7、表1所示。索力通过对索锚板施加压力来施加，锚板压力根据索面倾角计算。
图7 钢梁约束条件下载原图
（1）整体变形
由局部有限元模型计算，各工况下塔节细有限元模型变形云图如图8、图9所示。
（2）锚杆应力分析结果
完成预应力后，各锚杆的应力状态如图10所示。各工况下预应力及施加外荷载后锚杆的Von Mises应力分布如图11、图12所示。从有限元分析结果可以看出，施加索力后，各工况下锚杆应力与初拉应力相差不大。
表1 载荷条件表 下载原图
图8 工况1变形云图
图9 工况2变形云图原图下载
（3）钢梁Von Mises应力分析结果
各工况下钢梁应力分布如图13、图14所示，应力值均较小，在设计荷载条件下，Von Mises应力控制在210MPa以内，大部分应力在100MPa以内。
4 缩比模型试验
根据以上分析可知，1号钢梁SCB承受的剪力最大，6号钢梁SCB两端负弯矩最大，且存在较大的轴力和剪力。因此，以6号钢梁作为试验对象进行试验研究。考虑到现场条件、构件加工、试验能力等因素，并尽可能满足相似原则，模型缩尺比选取为1：6。模型试件由横墙、塔柱、钢梁、垫层梁四部分组成。整体高度为4m，宽度为5.19m。采用自平衡加载方式，如图15所示。
图1 预应力完成后锚栓0Von Mises应力云图下载原图
图11 工况1锚栓Von Mises应力云图 下载原图
图12工况2锚栓Von Mises应力云图下载原图
图1 3 工况1钢梁Von Mises应力云图下载原图
图1 4 工作状态2钢梁Von Mises应力云图下载原图
图1.5 模型试件整体布置图（单位：mm）下载原图
试验设置两种工况：工况一：按设计荷载的0.5、0.75、1倍分次加载，分两级卸载，每级保载10min；工况二：按设计荷载的0.5、1、1.5、1.7、1.9、2.1、2.3、2.5倍分次施加，分六级卸载，每级保载10min。
应变、位移数据分析可知：加载工况I下，NSC3索（长索）测点对应的钢锚箱N1、N3板应力最大（如图16所示），分别为73MPa、63.5MPa；钢梁中段竖隔板、边段竖隔板应力分别为93MPa、58MPa，均高于其他位置。试验测得的各板应力值均小于允许应力值210MPa。此工况下钢梁跨中挠度为-0.37mm，位移计测得的最大相对位移为0.003mm。
图16 工况I测点应力图下载原图
工况Ⅱ加载条件下各板应力如图17所示。在设计荷载、1.7倍设计荷载、2.5倍设计荷载工况下，板应力基本随荷载线性增加，边立板、中立板、腹板最大应力分别为120MPa、117MPa、110MPa，均小于抗拉强度标准值370MPa。该工况下钢梁顶面跨中挠度为0.21mm，梁端与混凝土塔柱间最大相对位移为0.009mm。
5 结论
本文对分组集束锚固体系的基本力学性能进行了研究，结果表明其应力满足规范要求。鉴于分组集束索塔锚固区受力状态复杂，单纯的理论分析难以全面反映该区域的实际工作状态和应力分布情况。本文对索塔锚固区进行了缩尺模型试验，试验测得的钢梁跨中挠度与有限元分析结果基本一致，考虑到位移计距塔柱顶面仍有1.5～2cm，塔梁实际相对位移小于测量值。结合有限元分析结果可知，塔梁间的静摩擦力足以将钢梁的剪力传递到塔柱上，塔梁不会发生滑移。剪力钉只是起到第二道保护线的作用，保证钢梁与混凝土之间的连接。 将试验结果与有限元分析结果进行对比,进一步明确了索塔锚固区的实际受力与变形情况,验证了该结构的稳定性,验证了设计的安全性,为分组集束锚固体系的广泛应用提供了参考。
图17 工况Ⅱ测点应力图下载原图
参考
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