摘要：本文結(jié)合某系桿拱橋系桿預(yù)應(yīng)力張拉的工程實(shí)際，運(yùn)用大型通用有限元ANSYS軟件，對(duì)系桿預(yù)應(yīng)力張拉錨固位置的錨下應(yīng)力大小及錨下實(shí)腹段的長(zhǎng)度取值設(shè)計(jì)方案做了詳細(xì)的設(shè)計(jì)驗(yàn)算。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果分析，給出了正常設(shè)計(jì)條件下，預(yù)應(yīng)力張拉錨下實(shí)腹段的長(zhǎng)度取值。可供同類工程設(shè)計(jì)參考。

　　關(guān)鍵詞：系桿拱橋,錨固位置,有限元法,錨下應(yīng)力

　　拱橋是一種極具美學(xué)欣賞價(jià)值的橋梁形式，在我國(guó)有著深厚的文化基礎(chǔ)。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在拱橋中的應(yīng)用，使拱橋更加輕巧，表現(xiàn)力也更強(qiáng)[1]，其中尤以三跨中承式拱橋(俗稱飛燕拱)造型優(yōu)美、造價(jià)適中、建筑高度小、橋面位置調(diào)整范圍大、易于與兩側(cè)道路順接，在市政橋梁中極具競(jìng)爭(zhēng)力[2]。系桿拱橋?qū)儆诤?jiǎn)支梁拱組合體系，由拱肋、吊桿、系桿、行車梁、橋面組成，組合體系外部是靜定結(jié)構(gòu)，內(nèi)部通過(guò)在系梁內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力抵消拱肋推力，使橋墩臺(tái)無(wú)需承受推力，故兼有拱橋的較大跨度能力和簡(jiǎn)支梁對(duì)地基適應(yīng)能力強(qiáng)的兩大特點(diǎn)[3]。

　　系桿拱橋中的系桿錨固區(qū)為局部承壓構(gòu)件，該區(qū)域構(gòu)造和受力狀態(tài)較為復(fù)雜，處于空間三向應(yīng)力狀態(tài)，一定范圍內(nèi)還存在強(qiáng)大的局部應(yīng)力，通常是控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位，關(guān)系著系桿的有效性和整橋的安全性，因此掌握錨固區(qū)域的應(yīng)力分布并進(jìn)行合理的構(gòu)造設(shè)計(jì)十分必要[4]。結(jié)合有限元或模型試驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算分析是實(shí)際工程中的常用方法，它能比較準(zhǔn)確反映出錨固區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)。本文運(yùn)用有限元程序，對(duì)某系桿拱橋的系桿錨固區(qū)應(yīng)力進(jìn)行分析研究。

　　1 工程概況

　　某大橋位于等級(jí)通航河道上，主橋?yàn)?75+206+75)m復(fù)合式系桿拱結(jié)構(gòu)，除主拱橋面上部分采用鋼管拱結(jié)構(gòu)外，其余均采用砼結(jié)構(gòu)。系桿拉索采用環(huán)氧噴涂無(wú)粘結(jié)的低松弛鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為fpk=1860MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa。系桿采用VLM XG.T15-37型成品系桿索，單束系桿破壞力9635KN。錨具采用與該型索體配套VLM XG15-37型錨具。系桿錨固區(qū)結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖1所示。

　　2 有限元模型

　　2.1 計(jì)算模型

　　考慮到系桿的預(yù)應(yīng)力錨固在邊拱的長(zhǎng)度為10m，又因所做分析為局部應(yīng)力分析，即只考慮錨固位置附近的應(yīng)力分布情況，所以建模時(shí)只取從梁端沿橋向30m的范圍，且為直線梁，經(jīng)計(jì)算分析，這樣建模可以滿足計(jì)算要求。

　　2.2 加載方式及邊界條件

　　采用大型通用有限元程序ANSYS9.0建模，全部單元均采用solid95實(shí)體單元，對(duì)實(shí)體模型的不同部位分別采用了不同材料、不同單元大小進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型如圖2所示。根據(jù)系桿預(yù)應(yīng)力張拉要求，在每個(gè)錨板的螺母上施加4000KN，采用平面力加載，轉(zhuǎn)化為9.47×107Pa的壓應(yīng)力作用于螺母上。加載區(qū)域的壓力如圖3所示。

 

　　約束方式采用一端固結(jié)，一端約束豎向和橫向，詳見(jiàn)計(jì)算模型圖。為了方便說(shuō)明應(yīng)力的方向，本文統(tǒng)一將順橋向應(yīng)力定義為軸向應(yīng)力，橫橋向應(yīng)力定義為橫向應(yīng)力，另一方向則定義為豎向應(yīng)力。

　　3計(jì)算結(jié)果及分析

　　3.1 螺母軸向應(yīng)力分析

 

　　由圖4可知，螺母的軸向最大拉、壓應(yīng)力均出現(xiàn)在右上角的同一螺母上，現(xiàn)將其放大顯示如圖5，由圖可知，螺母的最大拉、壓應(yīng)力幾乎發(fā)生在同一徑向方向，最大拉應(yīng)力為33.4MPa，位于螺母內(nèi)側(cè)，最大壓應(yīng)力為249MPa，位于螺母外側(cè)，均滿足受力要求。

　　3.2錨墊板軸向應(yīng)力分析

 

　　由錨墊板的軸向應(yīng)力云圖6和圖7可知，錨墊板在螺母面力作用下，內(nèi)部區(qū)域受壓，最大壓應(yīng)力為86.8MPa，外邊緣處于受拉狀態(tài)，最大拉應(yīng)力為36.1MPa，滿足受力要求。

　　3.3錨固位置混凝土軸向分析

 

　　分析：由圖8~圖11可知，錨墊板下0.1m處混凝土軸向應(yīng)力在斷面的應(yīng)力云圖上，既有拉應(yīng)力，又有壓應(yīng)力，由應(yīng)力云圖可知，最大拉應(yīng)力為3.41MPa，分布于斷面的周邊區(qū)域，分布寬度大約為50cm，該部分拉力由拱肋的縱向鋼筋承擔(dān)，取斷面高度0.5m，按最大拉應(yīng)力3.41MPa計(jì)算，計(jì)算得高度0.5m，寬度0.5m的范圍內(nèi)合力大小為8.53×102 KN，該區(qū)域縱向鋼筋為10φ25，As=4.91×10-3m2，鋼筋承擔(dān)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力大小為173.66MPa，滿足規(guī)范要求。本文只給出最大應(yīng)力位置處的受力分析，限于篇幅有限，其他位置應(yīng)力分析在此不一一列出。

　　4 結(jié)論

　　通過(guò)以上建模分析，可以得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：

　　1)由實(shí)腹段的三個(gè)斷面位置(0.1m、1m、2m)的應(yīng)力云圖可知，在距錨墊板下2m處，施加的預(yù)加張拉力基本擴(kuò)散完畢，錨墊板下2m處混凝土的軸向應(yīng)力云圖斷面的最大拉應(yīng)力為0.915MPa，經(jīng)分析，該處的拉應(yīng)力是由于后面空箱的倒角引起，為局部現(xiàn)象，整個(gè)斷面基本處于受壓狀態(tài)，該斷面位置的最大壓應(yīng)力為6.17MPa。

　　2)由以上分析可知，系桿預(yù)應(yīng)力的張拉應(yīng)力只對(duì)邊拱錨固位置的局部區(qū)域產(chǎn)生影響，按照直線梁建模，取30m的長(zhǎng)度進(jìn)行分析，可以滿足計(jì)算的精度要求;由混凝土實(shí)腹段(2m長(zhǎng))的軸向應(yīng)力云圖可知，系桿的預(yù)應(yīng)力張拉力對(duì)邊拱的影響，在2m的實(shí)腹段內(nèi)基本擴(kuò)散完畢，設(shè)計(jì)采用的2m取值是合理的。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 吳俊杰.淺析簡(jiǎn)支下承式鋼管砼系桿拱橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].中華民居,2001年第7期.

　　[2] 米曦亮.中承式系桿拱橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].橋梁建設(shè),2010年06期.

　　[3] 劉其良.金灣大橋主跨系桿拱結(jié)構(gòu)施工工藝及控制[J].山西建筑,2009年第09期.

　　[4] 盛興旺等.湘潭市湘江四橋系桿錨固區(qū)局部應(yīng)力分析[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2006年05期.