斜拉桥索塔锚固区受力分析.docx

索塔锚固区受力分析
7.1概述
斜拉桥索塔作为主要的受力构件之一，结构的绝大部分恒载、活载都要通过索塔传至桥墩、承台及基础。索塔锚固区在斜拉索索力作用下的受力相当复杂，有局部受压（高应力集中）、横向框架的侧壁受弯和受拉、塔柱竖向受压等情况，而索塔的安全可靠对整个结构至关重要，因此，需要对锚固区段作较详细的局部应力分析。
为了抵抗上塔柱在张力作用下的横向框架的弯矩和拉力，须在其侧壁内设置起箍筋作用的闭合预应力筋，可采用环向预应力筋，也可采用井字形预应力粗钢筋。锚索区预应力平面布置的传力机理是：锚索区段除参与索塔的总体功能外，还将拉索的集中力传递到索塔侧壁内，进而逐渐传递到基础，为防止混凝土在拉索锚固力的作用下，开裂，将预应力作为外力施加到锚索区平面内，以平衡拉索锚固力所产生的内力。
7.2锚索区受力
该桥桥塔塔冠区为单箱单室截面，在高度40m范围内有25对斜拉索锚固，斜拉索在塔冠上的标准索距为1.6m,斜拉索锚固在加强的塔壁内侧齿块上。计入恒、活、温度、支座沉降等最不利荷载组合，其索力的纵桥向水平分力的组合值见表7-1：
表7-1锚固区荷载组合一览表
注：表中基本组合、短期组合和标准组合均为最大组合值，不考虑作用长期效应组合的影响。
塔冠区采用C60混凝土，按全预应力混凝土设计。
索力的纵桥向水平分力的组合值，沿塔高方向可分为5个索区段控制：
按承载能力极限状态设计时，作用效应基本组合的最大值如下表7-2：
表7-2承载能力极限状态控制力

按正常使用极限状态设计时，作用效应短期组合的最大值如下表7-3：
表7-3正常使用极限状态控制力

按作用标准值直接组合的最大值，见下表7-4：
表7-4标准值控制力

注：表中的值是组合后的结果，主要用于验算使用阶段的应力验算。
计算分析
由于索塔节段在预加应力阶段即外加荷载时的受力分析不同于一般的梁式结构的分析，为简化分析工作，从塔冠中取出一个横断面，于是塔冠的受力可归结为平面应变问题。计算采用二维杆系单元，在计算中将整个结构视为均质弹性体，未考虑普通钢筋的影响，也未考虑索力的垂直分力，再对称面上根据对称性加定向支承。

图7-1锚固区断面及受力示意图
注：图中F表示单根索作用在水平框架上的水平分力，其值应根据承载能力极限状态、正常使用极限状态或使用阶段而采用相应的表7-2、7-3或7-4中的值。
取一个索塔标准索距段1.6m作为水平框架进行分析，单根拉索索力可近似为分布在锚下宽30cm的均布荷载，由此根据对称性建立平面杆系计算模型7-2：

图7-2平面杆系计算模型

图7-3配筋控制断面
按承载能力极限状态设计时，作用效应基本组合如下表7-5：
表7-5承载能力极限状态基本组合

注：表中的值是组合后的结果，主要用于验算正截面的抗弯承载力。
按正常使用极限状态设计时，作用效应基本组合如下表7-6：
表7-6正常使用极限状态短期组合
注：表中的值是按正常使用极限状态组合后的结果，主要用于验算正常使用阶段的抗裂验算和预应力筋的估算。
表7-7标准值组合

注：表中的值是组合后的结果，主要用于验算使用阶段的应力验算。
注：表7-5、7-6和7-7中轴力以拉力为正，弯矩以使索塔外壁受拉为正。
以25～21号索区段为例，在使用阶段每侧作用的单根索的水平力为3435KN,拉索索力可近似为分布在锚下宽30cm的均布荷载即11450KN/m，其受力特点是：

图7-4斜拉索作用下的两肋应力
（1）肋1处应力从-0.90～5.67MPa呈直线变化；肋2处应力从-3.97～3.97MPa呈变化，以上应力以拉应力为正。
（2）肋2内腔锚下压应力较大，故一方面设计中做好锚下构造钢筋的布置以减缓应力集中问题，另一方面要求平面预应力束作用时，不能在此产生较大的压应力，相反可以施加较小的拉应力，即预应力束应尽量布置在塔冠截面的外缘。
（3）在外力的作用下，塔冠断面呈框架受力状态，设计中不能只在斜拉索索力作用方向施加预应力，必须在肋2内也布置预应力钢束，以消除肋2的外缘拉应力。
本设计采用井字形预应力粗钢筋，较常用的环向预应力钢束相比较，粗钢筋在塔冠区可布置多层，从而使塔冠区的受力更加均匀。在塔冠区域布置的环向预应力钢束，由于索塔断面尺寸的限制，钢束的弯曲曲率半径较小（根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（以下简称规范）第条规定：后张法预应力混凝土构件的曲线形预应力钢筋的曲线半径对于斜拉桥桥塔内围箍用的半圆形预应力钢筋，半径在1.5m左右时，须采用特殊措施），预应力损失较大，经初步估算，仅预应力钢束与管道壁间的摩擦引起的预应力损失就达张力控制应力的近30%，且施工困难。而采用预应力粗钢筋，预应力损失较小，可以更好的发挥预应力效应，且张拉吨位小，便于施工，锚下集中应力也比环向预应力钢束小。
根据以上计算