摘要：本文結合某系桿拱橋系桿預應力張拉的工程實際，運用大型通用有限元ANSYS軟件，對系桿預應力張拉錨固位置的錨下應力大小及錨下實腹段的長度取值設計方案做了詳細的設計驗算。通過對計算結果分析，給出了正常設計條件下，預應力張拉錨下實腹段的長度取值。可供同類工程設計參考。

　　關鍵詞：系桿拱橋,錨固位置,有限元法,錨下應力

　　拱橋是一種極具美學欣賞價值的橋梁形式，在我國有著深厚的文化基礎。鋼管混凝土結構在拱橋中的應用，使拱橋更加輕巧，表現(xiàn)力也更強[1]，其中尤以三跨中承式拱橋(俗稱飛燕拱)造型優(yōu)美、造價適中、建筑高度小、橋面位置調整范圍大、易于與兩側道路順接，在市政橋梁中極具競爭力[2]。系桿拱橋屬于簡支梁拱組合體系，由拱肋、吊桿、系桿、行車梁、橋面組成，組合體系外部是靜定結構，內部通過在系梁內施加預應力抵消拱肋推力，使橋墩臺無需承受推力，故兼有拱橋的較大跨度能力和簡支梁對地基適應能力強的兩大特點[3]。

　　系桿拱橋中的系桿錨固區(qū)為局部承壓構件，該區(qū)域構造和受力狀態(tài)較為復雜，處于空間三向應力狀態(tài)，一定范圍內還存在強大的局部應力，通常是控制設計的關鍵部位，關系著系桿的有效性和整橋的安全性，因此掌握錨固區(qū)域的應力分布并進行合理的構造設計十分必要[4]。結合有限元或模型試驗進行計算分析是實際工程中的常用方法，它能比較準確反映出錨固區(qū)的應力狀態(tài)。本文運用有限元程序，對某系桿拱橋的系桿錨固區(qū)應力進行分析研究。

　　1 工程概況

　　某大橋位于等級通航河道上，主橋為(75+206+75)m復合式系桿拱結構，除主拱橋面上部分采用鋼管拱結構外，其余均采用砼結構。系桿拉索采用環(huán)氧噴涂無粘結的低松弛鋼絞線，標準強度為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)結構尺寸見圖1所示。

　　2 有限元模型

　　2.1 計算模型

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

　　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實體單元，對實體模型的不同部位分別采用了不同材料、不同單元大小進行網(wǎng)格劃分，模型如圖2所示。根據(jù)系桿預應力張拉要求，在每個錨板的螺母上施加4000KN，采用平面力加載，轉化為9.47×107Pa的壓應力作用于螺母上。加載區(qū)域的壓力如圖3所示。

 

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

　　3計算結果及分析

　　3.1 螺母軸向應力分析

 

　　由圖4可知，螺母的軸向最大拉、壓應力均出現(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、壓應力幾乎發(fā)生在同一徑向方向，最大拉應力為33.4MPa，位于螺母內側，最大壓應力為249MPa，位于螺母外側，均滿足受力要求。

　　3.2錨墊板軸向應力分析

 

　　由錨墊板的軸向應力云圖6和圖7可知，錨墊板在螺母面力作用下，內部區(qū)域受壓，最大壓應力為86.8MPa，外邊緣處于受拉狀態(tài)，最大拉應力為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處混凝土軸向應力在斷面的應力云圖上，既有拉應力，又有壓應力，由應力云圖可知，最大拉應力為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，取斷面高度0.5m，按最大拉應力3.41MPa計算，計算得高度0.5m，寬度0.5m的范圍內合力大小為8.53×102 KN，該區(qū)域縱向鋼筋為10φ25，As=4.91×10-3m2，鋼筋承擔拉應力，拉應力大小為173.66MPa，滿足規(guī)范要求。本文只給出最大應力位置處的受力分析，限于篇幅有限，其他位置應力分析在此不一一列出。

　　4 結論

　　通過以上建模分析，可以得出如下幾點結論：

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

　　2)由以上分析可知，系桿預應力的張拉應力只對邊拱錨固位置的局部區(qū)域產生影響，按照直線梁建模，取30m的長度進行分析，可以滿足計算的精度要求;由混凝土實腹段(2m長)的軸向應力云圖可知，系桿的預應力張拉力對邊拱的影響，在2m的實腹段內基本擴散完畢，設計采用的2m取值是合理的。

　　參考文獻：

　　[1] 吳俊杰.淺析簡支下承式鋼管砼系桿拱橋上部結構設計[J].中華民居,2001年第7期.

　　[2] 米曦亮.中承式系桿拱橋結構優(yōu)化設計[J].橋梁建設,2010年06期.

　　[3] 劉其良.金灣大橋主跨系桿拱結構施工工藝及控制[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)局部應力分析[J].鐵道科學與工程學報, 2006年05期.