某大跨度鋼橋縱向約束體系錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

羅鵬軍

(重慶市市政設(shè)計研究院,重慶　400020)

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某大跨度鋼橋縱向約束體系錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

羅鵬軍

(重慶市市政設(shè)計研究院,重慶400020)

摘要：大跨度鋼橋常采用彈性索體系作為大橋的縱向約束,其錨固結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力較大、傳力路徑復(fù)雜,設(shè)計中需要針對其進行專門的計算分析,以保證錨固結(jié)構(gòu)的可靠性。對某大跨度異型拱橋的彈性索錨固結(jié)構(gòu)建立有限元模型,計算分析了鋼錨箱結(jié)構(gòu)在最大索力作用下各板件的應(yīng)力分布。計算結(jié)果表明,鋼錨箱在最大索力作用下各板件的各項應(yīng)力值均滿足規(guī)范要求,結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。同時,針對鋼錨箱各板件的布置情況進行優(yōu)化計算分析,得到合理的錨箱加勁板布置形式。

關(guān)鍵詞：鋼橋；縱向約束體系；錨固結(jié)構(gòu)；有限元；優(yōu)化設(shè)計

1概述

某大跨度異型鋼拱橋采用44 m+150 m+55 m的孔跨布置，橋面梁采用3跨連續(xù)梁的結(jié)構(gòu)形式，位于R=600 m的平曲線、R=3 000 m的豎曲線上。橫斷面設(shè)置雙縱箱(雙箱單室)，并與沿徑向布置的橫梁、曲線布置的縱梁等共同形成橋道系。有吊索區(qū)的典型橋道系布置：橫向劃分為5個區(qū)，即人行道和非機動車通道+鏤空區(qū)+機動車通道+鏤空區(qū)+人行道和非機動車通道。非機動車道內(nèi)側(cè)設(shè)主縱梁，人行道外側(cè)設(shè)次縱梁，主縱梁和次縱梁與雙箱單室箱體共同形成縱梁體系。橫梁體系則由主橫梁與次橫梁組成。橋梁主跨以橫梁體系受力為主，邊跨以縱梁體系受力為主。在拱梁交界處，由于拱穿越梁體預(yù)留空洞，通過加強縱向和橫向梁格實現(xiàn)受力方向的轉(zhuǎn)換過渡。大橋在主跨和邊跨采用彈性索作為縱向限位措施，全橋共設(shè)4組彈性索，每4根為1組，共計16根。彈性索錨固位置分別設(shè)在墩頂墊石和鋼箱梁底板上，該兩處區(qū)域局部應(yīng)力較大、傳力復(fù)雜[1-3]，分別將彈性索傳來的巨大拉力傳遞分散到墩頂混凝土墊石截面和鋼箱梁截面上，彈性索布置情況如圖1所示。針對大橋彈性索縱向約束體系在鋼箱梁底板上的鋼錨箱錨固結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計及優(yōu)化的計算分析，計算分析結(jié)果對其他同類型橋梁的錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計有一定參考意義。

圖1　彈性索布置情況示意

2縱向約束體系鋼錨箱結(jié)構(gòu)基本構(gòu)造

該大橋彈性索縱向約束體系鋼錨箱設(shè)在鋼箱梁底板上，每個鋼箱底板上沿橫橋向左右布置兩個彈性索錨箱形成1對，全橋共計8對16個彈性索錨箱。錨箱構(gòu)造參考鋼箱梁斜拉橋索梁錨固連接處的鋼錨箱設(shè)計，由前后兩塊40 mm厚的錨座板N3和左右兩塊40 mm厚的承力板N1焊接成矩形箱體，并通過承力板與箱梁底板間的焊縫連成整體。為了減小張拉端錨座板的局部集中應(yīng)力，在張拉端增加了1塊50 mm厚的錨墊板N4，同時在錨箱內(nèi)加設(shè)兩道40 mm厚的支撐加勁板以增加錨箱的整體性。在鋼箱梁底板內(nèi)部增設(shè)了橫橋向加勁板N5，并增加錨箱范圍內(nèi)縱向加勁肋的厚度和高度，厚度和高度漸變段長度為3 m。鋼箱梁內(nèi)橫向加勁板和縱向加勁肋須分別于錨箱的錨座板和承力板中心線對齊，彈性索鋼錨箱構(gòu)造如圖2所示。

圖2　鋼錨箱一般構(gòu)造(單位：mm)

3有限元計算模型的建立

利用Ansys通用有限元軟件，根據(jù)設(shè)計圖紙相關(guān)板件實際尺寸建立了鋼錨箱的有限元計算模型。模型采用程序自帶的Shell63板殼單元建模[8，9]，建模范圍為錨箱所在節(jié)段以及前后各一個節(jié)段的范圍，由于箱梁以外的橫梁以及橋面板等錨箱局部結(jié)構(gòu)的受力影響很小，模型中僅建立了鋼箱梁以及兩鋼箱梁之間的各構(gòu)件。另外，為了減少計算工作量同時又能保證計算準確性，對錨箱所在節(jié)段單元劃分較為精細而相鄰兩節(jié)段劃分較為粗糙，整個模型共劃分為330 080個單元，節(jié)點共計328 726個。根據(jù)圣維南原理，選取的鋼錨箱所在節(jié)段以及前后各一個節(jié)段的范圍進行建模，能夠保證錨箱局部范圍內(nèi)計算結(jié)果的可靠性，減少邊界條件的影響[10，11]。邊界條件根據(jù)全橋結(jié)構(gòu)整體受力情況采用剛性邊界法：在節(jié)段模型靠近跨中一端即錨箱張拉端一側(cè)約束橫橋向及縱橋向位移，在靠近橋墩一端約束節(jié)點所有方向的位移，邊界條件的設(shè)定符合節(jié)段模型周邊的約束情況。錨箱張拉端拉索作用在錨墊板N4上的集中反力通過錨墊板的擴散均勻作用于錨座板N3上，模型中利用等效面荷載的方式進行加載，根據(jù)設(shè)計資料，每根彈性索的最不利張拉力為1 500 kN，根據(jù)錨墊板N4的面積以及厚度即可計算出考慮了擴散效應(yīng)作用于錨座板N3上的等效面荷載大小，計算模型如圖3所示。

圖3　鋼錨箱有限元計算模型

4計算結(jié)果分析

鋼錨箱、箱梁底板、加勁肋等各主要板件在最大彈性索張拉力作用下的各項應(yīng)力計算結(jié)果見表1。

表1　鋼錨箱各板件應(yīng)力計算結(jié)果　MPa

從表1中的計算結(jié)果可知，在最大彈性索張拉力作用下，整個錨箱結(jié)構(gòu)的最大Mises應(yīng)力為153.0 MPa，發(fā)生在前端板N3上。錨座板N3的受力較為復(fù)雜，板內(nèi)應(yīng)力包括彎曲應(yīng)力和擠壓應(yīng)力，在預(yù)開圓孔附近以及錨座板與下支撐板交界的地方應(yīng)力值較高，其余部分應(yīng)力值較低。前端板N3在與箱梁底板、錨箱承力板N1相交的地方出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在局部小范圍內(nèi)出現(xiàn)最大Mises等效應(yīng)力153.0 MPa。承力板N1和支撐板N2的應(yīng)力均較小，小于100.0 MPa。同時，承力板N1的等效應(yīng)力在沿錨箱軸線方向的兩端附近應(yīng)力較大，且在前端與箱梁底板和前端板交界處應(yīng)力值最大。對于支撐板N2，其應(yīng)力沿錨箱軸線方向上逐漸減小，應(yīng)力分布規(guī)律十分明顯。箱內(nèi)加勁板N5的主要作用是為了防止縱向加勁肋出現(xiàn)面外局部屈曲的構(gòu)造板件，同時還提高了錨箱與箱梁的整體性，其應(yīng)力值較小，且前端的加勁板應(yīng)力值較后端的加勁板大。鋼箱梁底板在與錨箱接觸的4個角點處出現(xiàn)了應(yīng)力集中，最大Mises等效應(yīng)力為88.6 MPa。鋼錨箱范圍內(nèi)的箱梁底板縱向加勁肋以受彎曲應(yīng)力為主，其等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在加勁肋上緣，為108.0 MPa。

5鋼錨箱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)第4節(jié)的計算結(jié)果可知，箱內(nèi)加勁板N5的應(yīng)力值較小，可考慮作為鋼錨箱優(yōu)化設(shè)計的可變因素。本節(jié)即以第3節(jié)中建立的模型為基礎(chǔ)，分別改變箱內(nèi)加勁板N5厚度而保持其他部分板件不變建立了5個不同的有限元模型，分析其對錨箱以及鋼箱梁各板件的受力情況的影響。計算模型分別為：模型1，去掉箱內(nèi)加勁板N5；模型2，箱內(nèi)加勁板N5厚度為20 mm；模型3，箱內(nèi)加勁板N5厚度為30 mm；模型4，箱內(nèi)加勁板N5厚度為40 mm；模型5，去掉錨箱錨固端的箱內(nèi)加勁板N5，錨箱前端加勁板N5厚度為30 mm。5個計算模型在彈性索最不利張拉力作用下的各項應(yīng)力計算對比結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4　主拉應(yīng)力對比結(jié)果

圖5　主壓應(yīng)力對比結(jié)果

圖6　Mises等效應(yīng)力對比結(jié)果

由圖4～圖6中鋼錨箱各項應(yīng)力計算對比結(jié)果可以看出，設(shè)置箱內(nèi)加勁板N5可以明顯減小承力板N1、前端板N3、箱梁底板以及箱梁縱向加勁肋的各項應(yīng)力值。尤其對縱向加勁肋的各項應(yīng)力值有大幅減小，未設(shè)置箱內(nèi)加勁板時其最大主拉應(yīng)力為225.0 MPa，最大主壓應(yīng)力為-158.0 MPa，最大等效應(yīng)力為195.0 MPa，設(shè)置20 mm厚的箱內(nèi)加勁板后其各項應(yīng)力最大值分別減小為68.0、-112.0、108.0 MPa，其減小幅度分別為69.8%、29.1%、44.6%。但是，箱內(nèi)加勁板N5的厚度變化對各板件的各項應(yīng)力值影響很小，且去掉錨箱錨固端的箱內(nèi)加勁板對各板件的各項應(yīng)力值產(chǎn)生的影響也十分有限?；谝陨嫌嬎惴治鼋Y(jié)果，設(shè)計中采用去掉錨箱錨固端的箱內(nèi)加勁板N5，錨箱前端加勁板N5厚度為30 mm的設(shè)置情況。這樣既能保證錨箱及箱梁各板件的應(yīng)力值在安全范圍內(nèi)，也能減少箱內(nèi)加勁板的施工焊縫以及減小施工難度，僅需在縱向加勁肋上合理設(shè)置橫向加勁肋即可。

6結(jié)語

大跨度鋼橋常采用彈性索體系作為大橋的縱向約束，其錨固結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力較大、傳力復(fù)雜，設(shè)計中需要針對其做專門的計算分析，以保證錨固結(jié)構(gòu)傳力的可靠性。通過對某大跨度異型拱橋的彈性索錨固結(jié)構(gòu)建立有限元模型，計算分析了鋼錨箱結(jié)構(gòu)在最大索力作用下各板件的應(yīng)力分布，計算結(jié)果表明，鋼錨箱在最大索力作用下各板件的各項應(yīng)力值均小于材料的設(shè)計強度，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)[12]。箱梁內(nèi)加勁板的設(shè)置可明顯減小鋼錨箱各板件的各項應(yīng)力，但其厚度的變化對各板件的各項應(yīng)力值影響很小，且去掉錨箱錨固端的箱內(nèi)加勁板對各板件的各項應(yīng)力值產(chǎn)生的影響也十分有限。因此，設(shè)計中推薦采用在保證錨箱及箱

梁各板件的應(yīng)力值在安全范圍內(nèi)的同時，箱內(nèi)施工焊縫較少以及施工難度較小的加勁板布置情況。

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Design and Optimization of Longitudinal Restraint AnchorageStructure in a Long-span Steel BridgeLUO Peng-jun

(Chongqing Municipal Designing Research Institute, Chongqing 400020, China)

Abstract：Flexible cable system is usually used as a longitudinal restraint in long-span steel bridges. Because of the large local stresses and complex load paths, specialized calculation and analysis must be proceeded to ensure the reliability of the anchorage structure in the design. In this dissertation, the finite element model for the anchorage structure of a long-span irregular-shape arch bridge is established to analyze the stress distribution of the steel anchor box under maximum cable force. The results show that the stresses of the steel anchor box under maximum cable force can satisfy the standard requirements and the structure remains in elastic state. The calculation and analysis of the arrangements of each panel of the steel anchor box are optimized and appropriate arrangement of anchor box stiffening plates is obtained.

Key words：Steel Bridge; Longitudinal restraint system; Anchorage structure; Finite element; Optimal Design

中圖分類號：U448.36

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.01.019

文章編號：1004-2954(2015)01-0077-03

作者簡介：羅鵬軍(1988—)，男，助理工程師，E-mail：pjluo1988@126.com。

收稿日期：2014-04-24； 修回日期：2014-05-07