斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

鄢余文

0 引言

安慶長江大橋主橋為主跨 510m的雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋。鋼箱梁為扁平閉口流線形,索梁錨固為鋼箱式錨固結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)錨箱處板件較多,連接復雜,索力較大,加上斜拉索索力對腹板會產(chǎn)生附加彎矩,通過理論分析和計算研究,該區(qū)域都難以準確反映其真實的應(yīng)力分布情況。為此,對鋼箱梁與斜拉索的錨固結(jié)構(gòu)進行了靜載試驗,以研究錨箱附近的應(yīng)變和應(yīng)力狀態(tài)。

1 試驗?zāi)Ｐ图霸囼灮厩闆r

試驗?zāi)Ｐ椭饕M主梁、模擬索塔及張拉鋼絞線三部分。模擬主梁采用了 4.75m的長度,錨箱箱體及與之連接的腹板采用了與實際結(jié)構(gòu)一致的尺寸及連接方式,主梁頂、底板則加厚并向錨箱一側(cè)延伸,采用寬 1.2m、厚 0.05m的板件。模擬索塔采用箱形鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件,一方面模擬主梁的約束條件,另一方面作為加載的反力構(gòu)件。張拉桿用于模擬斜拉索進行加載,加載通過安裝在模擬索塔張拉架上的 900 t級千斤頂進行。

該橋的最大設(shè)計索力為 460 t,由此確定試驗加載工況。進行3種工況加載:工況Ⅰ分級加載到最大設(shè)計索力;工況Ⅱ分級加載到1.7倍最大設(shè)計索力;工況Ⅲ分級加載到1.9倍最大設(shè)計索力。

2 試驗結(jié)果及其分析

2.1 應(yīng)力分布分析

錨箱由頂板、底板、側(cè)板、承壓板、肋板構(gòu)成。其中肋板不是主要受力構(gòu)件,其應(yīng)力較小,而承壓板受力簡單。此外,試驗主要關(guān)心的是錨箱結(jié)構(gòu)在最大設(shè)計索力 460 t下的受力情況。因此只對工況Ⅰ實際 1.0倍最大設(shè)計索力下,錨箱頂板、底板、側(cè)板進行分析。根據(jù)試驗測得的應(yīng)變,可算得錨箱板件各測點的主應(yīng)力及其作用方向,見圖1～圖 4。

從圖1,圖2可以看出,錨箱頂、底板均以受壓為主,且受力呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。主壓應(yīng)力方向大致平行于板邊緣,即平行于張拉鋼絞線方向。而在垂直于該方向,錨箱頂、底板的受力相對較小。在錨箱頂、底板靠腹板側(cè)主壓應(yīng)力中間小兩頭大。在另一側(cè)則相反,主壓應(yīng)力呈現(xiàn)中間大兩頭小的規(guī)律。在頂、底板中間,主壓應(yīng)力從其靠錨箱承壓板端向另一端遞減。由此表明,錨箱結(jié)構(gòu)為偏心受壓狀態(tài),使得頂、底板存在受扭現(xiàn)象。錨箱頂、底板在其自由端靠腹板側(cè)應(yīng)力較大,而且對于頂板,在此處另一方向還存在較大的主拉應(yīng)力。

從圖3,圖 4可以看出,錨箱內(nèi)、外側(cè)板的兩側(cè)以受壓為主,其主壓應(yīng)力方向大致平行于張拉鋼絞線方向。而在垂直于該方向,內(nèi)、外側(cè)板的受力相對較小。錨箱內(nèi)、外側(cè)板在中間靠槽口處以受拉為主,主拉應(yīng)力方向垂直于張拉鋼絞線方向。而在另一端,外側(cè)板仍以受拉為主,內(nèi)側(cè)板則以受壓為主。錨箱內(nèi)、外側(cè)板的最大主壓應(yīng)力均發(fā)生在其靠錨箱承壓板端,并由此向另一端遞減。

2.2 應(yīng)力發(fā)展進程分析

為了研究應(yīng)力隨加載的變化進程,在工況Ⅱ下,進行 14級加載。即采用分級加載從1級 0.2倍最大設(shè)計索力到 14級 1.7倍最大設(shè)計索力。取錨箱內(nèi)、外側(cè)板部分測點,根據(jù)其各級加載所得主應(yīng)力,計算得各級加載等效應(yīng)力,見圖 5。

從圖 5中可以看出,荷載與應(yīng)力呈線性關(guān)系。表明在 1.7倍最大設(shè)計索力,即 782 t索力范圍內(nèi),錨箱內(nèi)、外側(cè)板均未屈服,結(jié)構(gòu)受力呈線性狀態(tài)。

3 三維有限元仿真分析

本次試驗?zāi)Ｐ偷挠邢拊嬎?采用的是大型通用程序 ANSYS。計算模型主要采用空間板殼單元Shell43建立,在錨箱承壓板和索塔上斜拉索錨固承壓板處,采用了接觸單元 Targe170和Conta174。由于模型中的斜拉索只是起加載作用,因此計算時采用兩錨固處的等效分布荷載代替。

從圖 6中可以看出,錨箱頂、底板在其自由端靠腹板側(cè)主應(yīng)力較大,且應(yīng)力沿斜拉索方向逐漸減小,到達承壓板附近又迅速增大,最大壓應(yīng)力處達到 248MPa,等效應(yīng)力為224MPa。錨箱內(nèi)、外側(cè)板在其靠錨箱承壓板端應(yīng)力最大,且應(yīng)力向自由端方向逐漸減小。錨箱以受壓力為主。錨箱加勁肋板應(yīng)力較小。

4 試驗實測值與有限元計算值比較

根據(jù)主應(yīng)力,可算得測點實測等效應(yīng)力值,并把該等效應(yīng)力值與有限元計算的等效應(yīng)力進行比較,見表1,表2。

表1 460t索力作用下錨箱頂、底板部分測點實測應(yīng)力與計算應(yīng)力比較 MPa

表2 460t索力作用下錨箱內(nèi)、外側(cè)板部分測點實測應(yīng)力與計算應(yīng)力比較 MPa

從表1,表2等效應(yīng)力實測值與計算值的比較中可以看出,大部分測點的試驗實測值和有限元計算值很接近。證明試驗結(jié)果符合力學規(guī)律,是可信的。同時,也證明采用三維有限元分析的索梁錨固結(jié)構(gòu)應(yīng)力基本能夠反映實際應(yīng)力分布規(guī)律。

5 結(jié)語

錨箱頂板、底板、側(cè)板均以受壓為主,主壓應(yīng)力方向大致平行于張拉鋼絞線方向,而在垂直于該方向的受力相對較小。錨箱頂、底板最大主壓應(yīng)力均在靠腹板側(cè)近主梁端,而側(cè)板的最大主壓應(yīng)力值均在靠錨箱承壓板端,并由此向另一端遞減。在錨箱頂、底板靠腹板側(cè)主壓應(yīng)力中間小兩頭大;在另一側(cè)則相反,主壓應(yīng)力呈現(xiàn)中間大兩頭小的規(guī)律;在中間主壓應(yīng)力從錨箱承壓板端向另一端遞減。在 782 t索力范圍內(nèi),錨箱結(jié)構(gòu)受力呈線性狀態(tài)。

有限元計算應(yīng)力值與實測應(yīng)力值吻合較好,證明試驗結(jié)果可信,而且三維有限元方法可以用于估算實際索梁錨固結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。

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