斜拉橋耳板式索梁錨固區(qū)應(yīng)力分析

王少懷，向中富，謝秉敏，趙 軍

(重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶400074)

斜拉橋因其受力性能好、跨越能力大、施工方便、造型優(yōu)美等特點(diǎn)受到橋梁工作者的青睞［1］，是一種由承壓的塔、受拉的索和承彎的梁組合起來(lái)的柔性結(jié)構(gòu)體系。斜拉橋索梁錨固區(qū)是一個(gè)局部應(yīng)力大、傳力途徑復(fù)雜的構(gòu)造，它要將從斜拉索傳遞來(lái)的巨大索力分散到主梁上，耳板由于直接承受巨大拉力，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，是斜拉橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位［2］。大跨徑斜拉橋索梁錨固型式主要有以下幾種類(lèi)型:錨箱式、耳板式(銷(xiāo)鉸式)、錨管式和錨拉板式連接［3］。粉房灣斜拉橋采用的是耳板式錨固結(jié)構(gòu)體系，斜拉索通過(guò)銷(xiāo)鉸連接件與耳板連接，傳力途徑為:斜拉索→銷(xiāo)軸連接件→錨固耳板→邊縱梁腹板→粉房灣鋼桁主梁［4］，邱建英和朱勁松，等［4-5］曾分別對(duì)舟山桃夭門(mén)大橋和杭州灣跨海大橋［6］的耳板結(jié)構(gòu)形式做過(guò)分析研究，與上述兩座橋梁錨固區(qū)結(jié)構(gòu)不同的是粉房灣大橋每個(gè)索面設(shè)置了兩根斜拉索，對(duì)于這種雙耳板設(shè)計(jì)構(gòu)造形式的索梁錨固區(qū)研究分析較少，相關(guān)設(shè)計(jì)理論及經(jīng)驗(yàn)相對(duì)不足。因此，很有必要對(duì)索梁錨固結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定耳板上應(yīng)力分布規(guī)律［7］，研究耳板式錨固結(jié)構(gòu)的傳力路徑，評(píng)價(jià)粉房灣大橋索梁錨固區(qū)承載能力，為粉房灣大橋錨固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 重慶粉房灣斜拉橋設(shè)計(jì)概況

粉房灣長(zhǎng)江大橋(圖1)是雙塔雙索面斜拉橋，橋跨布置 60.5 m+156 m+464 m+156 m+60.5 m五跨連續(xù)鋼桁架梁斜拉橋。

圖1 粉房灣大橋立面(單位:cm)Fig.1 Elevation of Fenfanwan Bridge

大橋?yàn)楣墐捎脴?，考慮軌道交通運(yùn)行的連續(xù)性，斜拉索應(yīng)該具有不中斷交通的可更換性，所以本橋每個(gè)索面設(shè)置了兩根斜拉索，即主梁同一橫斷面有4根斜拉索。斜拉索縱向標(biāo)準(zhǔn)間距16.0 m，橫向一側(cè)間距0.8 m，兩側(cè)中心間距32.8 m。邊跨背索梁段處縱向索距為12.0 m，橫向間距與前面相同。斜拉索下端采用穿稍較錨固于鋼桁架梁邊縱梁的錨拉板上，上端采用冷鑄錨錨固在上塔柱內(nèi)的齒板上。連接件的材料選用40Cr高強(qiáng)調(diào)質(zhì)鋼材，屈服強(qiáng)度大于785 MPa。根據(jù)設(shè)計(jì)資料分析成橋索力最大的錨固區(qū)即近岸跨第一根拉索處，此處錨固區(qū)構(gòu)造圖如圖 2，斜拉索縱向傾角是 31.745°，橫向傾角是3.303°，成橋索力3 552.8 kN。

圖2 錨固區(qū)構(gòu)造Fig.2 Structure of the anchorage

2 ANSYS有限元模型分析

斜拉橋的拉索承受拉力，對(duì)鋼桁主梁有一個(gè)彈性支撐的作用，使主梁在各斜拉索作用下同多跨彈性支撐連續(xù)梁一樣，增加整個(gè)斜拉橋的結(jié)構(gòu)剛度，大大降低了主梁體內(nèi)彎矩。由這種理論方法可以設(shè)定主梁每跨的跨徑為12 m，即相鄰拉索錨點(diǎn)的間距。研究索梁錨固區(qū)的應(yīng)力分布情況時(shí)取其附近區(qū)域做局部分析即可，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)取鋼桁主梁負(fù)彎矩區(qū)段為研究對(duì)象，索梁錨固區(qū)縱向取值0.25×12×2=6 m［8-9］，由圣維南原理知道拉索索力對(duì)超出這段距離的主梁影響不大，橫隔板橫向取2.3 m的頂板寬度。

有限元模型采用雙線(xiàn)性中的等向強(qiáng)化材料模式，彈性模量 E=2.1 ×105MPa，泊松比 μ =0.3，邊縱梁采用Q345材料，連接件、銷(xiāo)軸等采用40Cr材料，屈服強(qiáng)度大于785 MPa，考慮1%的應(yīng)力強(qiáng)化，切線(xiàn)模量 E=2.1 ×103MPa。

耳板式索梁錨固區(qū)的ANSYS有限元模型使用SHELL181殼單元類(lèi)型(圖3)，此類(lèi)型單元有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)結(jié)點(diǎn)均有6個(gè)自由度，分別是空間3個(gè)方向的平動(dòng)自由度和3個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。該類(lèi)型單元適用于進(jìn)行材料彈塑性、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形等非線(xiàn)性分析。

圖3 SHELL181單元Fig.3 SHELL181 element

粉房灣大橋索梁錨固區(qū)有限元模型共有34 126個(gè)節(jié)點(diǎn)，34 071個(gè)單元，如圖4。

圖4 有限元模型Fig.4 Finite element model

邊界條件:根據(jù)圣維南原理此模型兩端邊界的處理對(duì)耳板附近的分析結(jié)果影響很小，縱梁兩端完全固結(jié)即可。

荷載分布:索力沿拉索方向均勻分布在銷(xiāo)軸與耳板的接觸面上。

分析類(lèi)型:采用大變形非線(xiàn)性分析。

3 有限元分析結(jié)果

耳板式索梁錨固區(qū)整體Mises應(yīng)力分布情況如圖5，可以看出斜拉索通過(guò)耳板將巨大索力向邊縱梁頂板和腹板傳遞過(guò)程中，耳板應(yīng)力遠(yuǎn)大于頂板和腹板等其他構(gòu)件，很明顯耳板出現(xiàn)應(yīng)力極值區(qū)域，發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，但是 Mises應(yīng)力迅速擴(kuò)散給邊縱梁其它構(gòu)件，降至較低的應(yīng)力水平。

巨大索力通過(guò)銷(xiāo)軸直接作用于耳板，必然會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，Mises應(yīng)力極值區(qū)域位于銷(xiāo)孔的兩側(cè)，關(guān)于斜拉索方向?qū)ΨQ(chēng)的位置，具體分布情況如圖6中A所示區(qū)域。

圖5 錨固區(qū)Mises應(yīng)力(單位:MPa)Fig.5 Mises stess on anchorage

圖6 耳板等值線(xiàn)應(yīng)力分布云圖(單位:MPa)Fig.6 Distribution of Mises stress on ear-plate

其它構(gòu)件包括邊縱梁的頂板、腹板、底板和橫隔板。這些構(gòu)件的各項(xiàng)應(yīng)力相對(duì)較小，應(yīng)力極值均是出現(xiàn)在各構(gòu)件連接位置處，遠(yuǎn)離這些焊縫位置的部位應(yīng)力水平很低。

底板的各項(xiàng)應(yīng)力在邊界固定端處出現(xiàn)最大值78 MPa，這是因?yàn)橛邢拊Ｐ驮趦啥宋恢霉探Y(jié)產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象，并不符合實(shí)際構(gòu)造形式，在耳板對(duì)應(yīng)的底板處各項(xiàng)應(yīng)力都很小。

圖7給出了橫隔板、頂板、腹板和底板的Mises應(yīng)力等值線(xiàn)云圖。

圖7 橫隔板、頂板和腹板的Mises應(yīng)力等值線(xiàn)云圖(單位:MPa)Fig.7 Distribution of Mises stress on diaphragm、roof and web plate

表1 各構(gòu)件主要應(yīng)力值對(duì)比Table 1 Comparision of results /MPa

4 結(jié)語(yǔ)

1)耳板式索梁錨固區(qū)的應(yīng)力極值區(qū)位于錨固耳板上，最大的Mises應(yīng)力值是328 MPa，粉房灣大橋耳板材料選用屈服強(qiáng)度大于785 MPa的40Cr高強(qiáng)調(diào)質(zhì)鋼材，因此滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)承載力要求。

2)耳板上的Mises應(yīng)力、各主橋向應(yīng)力和剪切應(yīng)力遠(yuǎn)大于頂板、腹板和底板上的應(yīng)力，耳板上應(yīng)力極值區(qū)域位于銷(xiāo)孔的兩側(cè)，關(guān)于斜拉索方向?qū)ΨQ(chēng)的位置。

3)耳板和焊縫等局部區(qū)域的Mises應(yīng)力較大，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，其它位置應(yīng)力較小，索力通過(guò)銷(xiāo)軸傳遞至整個(gè)索梁錨固結(jié)構(gòu)過(guò)程中應(yīng)力擴(kuò)散迅速，分布均勻。

4)在各板件相交位置處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力較大，建議在制造錨固區(qū)構(gòu)件時(shí)嚴(yán)格控制好焊接質(zhì)量，確保粉房灣大橋錨固結(jié)構(gòu)安全可靠。

5)由于直接承受拉索的巨大索力耳板銷(xiāo)孔產(chǎn)生巨大的局部應(yīng)力，普通鋼材的屈服強(qiáng)度不易滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)承載力要求，建議其它斜拉橋索梁錨固區(qū)使用耳板式連接類(lèi)型時(shí)也選用強(qiáng)度較大的材料。有限元分析結(jié)果可以為粉房灣大橋索梁錨固區(qū)的設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

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