大跨度鋼箱梁斜拉橋索梁錨固區(qū)易損性分析

丁　瀟

(同濟(jì)大學(xué)，上?！?00092)

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大跨度鋼箱梁斜拉橋索梁錨固區(qū)易損性分析

丁瀟

(同濟(jì)大學(xué)，上海200092)

以蘇通大橋?yàn)楸尘?，根?jù)錨箱式索梁錨固區(qū)的構(gòu)造，建立了錨固區(qū)有限元模型，從鋼錨箱頂板、底板、腹板、承壓板等方面，研究了錨箱式索梁錨固區(qū)的傳力機(jī)理及應(yīng)力分布特征，最終得出了一些有意義的結(jié)論。

大跨斜拉橋，索梁錨固區(qū)，鋼錨箱，有限元模型，易損性

1　概述

索梁錨固結(jié)構(gòu)的作用是將集中作用于其上的巨大拉索索力可靠順暢地傳遞給主梁截面。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)使力線流暢，防止出現(xiàn)過(guò)大的應(yīng)力集中，否則在長(zhǎng)期的動(dòng)、靜載作用下，可能發(fā)生疲勞或強(qiáng)度破壞。因此，作為斜拉橋的關(guān)鍵部位，索梁錨固結(jié)構(gòu)的可靠與否直接關(guān)系到整座大橋的安全[1]。

目前，大跨度鋼斜拉橋常見(jiàn)的索梁錨固形式主要有以下四種[2]：1)耳板式(銷鉸式)連接；2)錨管式連接；3)錨拉板連接；4)錨箱式連接。

2　錨箱式索梁錨固區(qū)構(gòu)造

蘇通大橋的索梁錨固結(jié)構(gòu)如圖1所示。鋼錨箱主要由錨箱頂板N1、錨箱底板N2、帶圓孔的承壓板N3、錨墊板N7、錨箱腹板N4和錨箱加勁肋N5(N5′)構(gòu)成。整個(gè)錨箱通過(guò)錨箱頂、底板以及承壓板與主梁外腹板間的焊縫焊接在外腹板上。拉索穿過(guò)承壓板上的圓孔錨固在錨墊板上。拉索將索力由錨墊板傳遞給承壓板，然后索力通過(guò)錨箱頂、底板以及承壓板與外腹板間的三條焊縫以剪力的形式傳遞到鋼箱梁外腹板上，進(jìn)而通過(guò)橫箱梁頂、底板和橫隔板分散到整個(gè)箱梁截面上。

圖1　錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)

承壓板在巨大索力的作用下會(huì)受彎撓曲，引起錨箱頂、底板向外鼓出變形，因此需在兩板之間設(shè)置錨箱腹板N4形成框架結(jié)構(gòu)，并在錨箱頂、底板外側(cè)設(shè)置錨箱加勁肋N5(N5′)來(lái)限制這種變形(注：本文中錨箱頂板N1、底板N2、承壓板N3以及錨箱腹板N4構(gòu)成箱形結(jié)構(gòu)，這些板件面向拉索的一側(cè)規(guī)定為內(nèi)側(cè)，背離拉索的為外側(cè))。

3　有限元模型建立

3.1錨固區(qū)局部模型

本文采用中跨成橋恒載索力最大的J34號(hào)索，取錨固區(qū)以及附近的箱梁節(jié)段(16.0 m)為研究對(duì)象，拉索傾斜角20.284°，按照實(shí)際尺寸建立有限元模型。研究節(jié)段模型如圖2所示。

圖2　鋼箱梁節(jié)段模型

3.2混合有限元模型

傳統(tǒng)的節(jié)段模型一般不考慮鋼箱梁節(jié)段的位移邊界條件以及力邊界條件[3]，所以本文為了相對(duì)精確地模擬箱梁節(jié)段模型的邊界條件和受力狀態(tài)，將錨固區(qū)局部模型與全橋模型進(jìn)行耦合，在連接處以主梁梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)與鋼箱梁節(jié)段兩端截面所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自由度耦合。模型中，J34號(hào)索鋼錨箱及錨固區(qū)前后16 m箱梁節(jié)段用殼單元Shell63模擬，橋梁其他梁段、索塔、橋墩等采用梁?jiǎn)卧狟eam4模擬，斜拉索用Link10模擬，混合模型局部如圖3所示。

圖3　混合有限元模型

4　索梁錨固區(qū)易損性分析

4.1板件基本參數(shù)

板件基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　板件基本參數(shù)[4]

4.2總體應(yīng)力分析

混合模型計(jì)算得到蘇通大橋J34號(hào)索索力為5 545 kN，索梁錨固區(qū)索力作用下的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4。由圖4可知：1)J34號(hào)索索梁錨固區(qū)von Mises應(yīng)力最大值為172 MPa，各處的應(yīng)力均小于許用應(yīng)力。2)等效應(yīng)力在承壓板和外腹板的交界處較大，并向兩側(cè)衰減。

圖4　索梁錨固區(qū)應(yīng)力云圖

4.3鋼錨箱頂板N1應(yīng)力分析

鋼錨箱頂板N1在索力作用下von Mises應(yīng)力云圖如圖5所示。

由圖5可知：1)鋼錨箱頂板von Mises應(yīng)力最大值123 MPa，大部分區(qū)域應(yīng)力較小，在13.8 MPa～81.8 MPa之間，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力。2)應(yīng)力最大值出現(xiàn)在錨箱頂板與主梁外腹板焊縫的頂端位置。3)錨箱頂板內(nèi)側(cè)與承壓板交界處也發(fā)生了應(yīng)力集中，這是因?yàn)槌袎喊逶谒髁ψ饔孟掳l(fā)生彎曲，與錨箱頂板內(nèi)側(cè)發(fā)生擠壓。應(yīng)力沿著拉索方向迅速衰減。

4.4鋼錨箱底板N2應(yīng)力分析

鋼錨箱底板N2在索力作用下von Mises應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖5　錨箱頂板von Mises應(yīng)力云圖　　　圖6　錨箱底板von Mises應(yīng)力云圖

由圖6可知：1)鋼錨箱底板von Mises應(yīng)力最大值為113 MPa，大部分區(qū)域應(yīng)力較小，在12.6 MPa～75.2 MPa之間，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力。2)應(yīng)力最大值出現(xiàn)在錨箱底板內(nèi)側(cè)與承壓板交界處。應(yīng)力沿著拉索方向迅速衰減。3)錨箱底板與主梁外腹板焊縫的頂端區(qū)域也發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4.5承壓板N3應(yīng)力分析

承壓板N3在索力作用下von Mises應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7　承壓板von Mises 應(yīng)力云圖

由圖7可知：1)承壓板von Mises應(yīng)力最大值為152 MPa。內(nèi)外側(cè)應(yīng)力均以承壓板對(duì)稱軸為軸對(duì)稱分布。2)在承壓板外側(cè)，應(yīng)力集中發(fā)生在承壓板與主梁外腹板焊縫中部位置，其他三條邊附近應(yīng)力較小。3)在承壓板內(nèi)側(cè)，應(yīng)力集中也發(fā)生在承壓板與主梁外腹板焊縫中部位置，其他三條邊附近應(yīng)力較小，在索孔附近應(yīng)力又有所增加。

4.6鋼錨箱腹板N4應(yīng)力分析

鋼錨箱腹板N4在索力作用下von Mises應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖8　錨箱腹板von Mises應(yīng)力云圖

由圖8可知：1)鋼錨箱腹板von Mises應(yīng)力最大值為172 MPa，大部分區(qū)域應(yīng)力較小，在19.5 MPa～115 MPa之間，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力。2)近主梁外腹板的錨箱腹板應(yīng)力小于遠(yuǎn)離主梁的錨箱腹板應(yīng)力，這是由于它靠近錨箱頂板、底板及承壓板與主梁外腹板間的焊縫，所以它不需要過(guò)多的參與受力。3)近主梁外腹板的錨箱腹板最大應(yīng)力值為140 MPa，位于其內(nèi)側(cè)與承壓板交界處。應(yīng)力沿著拉索方向迅速衰減。4)遠(yuǎn)離主梁外腹板的錨箱腹板絕大部分區(qū)域應(yīng)力水平很低，小于39 MPa，其內(nèi)側(cè)與承壓板交界處也存在輕微的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但是在過(guò)焊孔處應(yīng)力集中明顯，應(yīng)力最高水平達(dá)到172 MPa。

5　結(jié)語(yǔ)

1)索力主要通過(guò)錨箱頂板、錨箱底板以及承壓板與主梁腹板間的焊縫以剪力的形式傳遞給整個(gè)主梁截面。2)在5 545 kN索力的作用下，索梁錨固區(qū)的von Mises應(yīng)力最大值為172 MPa，出現(xiàn)在錨箱腹板與承壓板焊縫的端點(diǎn)區(qū)域。3)錨箱頂板、底板與主梁外腹板的焊縫頂部區(qū)域、承壓板與主梁外腹板的焊縫中部均產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。4)索梁錨固區(qū)其他區(qū)域應(yīng)力水平較小，應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力。

[1]滿洪高.大跨度鋼斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究[D].成都：西南交通大學(xué),2007.

[2]李小珍，蔡婧，強(qiáng)士中.大跨度鋼箱梁斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)型式的比較研究[J].工程力學(xué)，2004,21(6):84-90.

[3]陳國(guó)紅.大跨度鋼斜拉橋錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)計(jì)算方法與力學(xué)特性研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，2009.

[4]陳天地，戴勝勇，曾永平，等.鐵路鋼橋鋼材容許應(yīng)力取值探討[J].高速鐵路技術(shù)，2010,1(2):14-16.

Analysis on vulnerability of large span steel box girder cable stayed bridge cable girder anchorage zone

Ding Xiao

(TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Taking the Sutong bridge as the background, according to the structure of anchor box cable girder anchorage zone, this paper established the finite element model of anchorage zone, from the steel anchor box roof plate, web plate, pressure plate and other aspects, researched the transfer mechanism and the stress distribution features of box anchor cable beam anchorage zone, finally drew some meaningful conclusions.

long span cable stayed bridge, cable girder anchorage zone, steel anchor box, finite element model, vulnerability

1009-6825(2016)21-0165-02

2016-05-18

丁瀟(1990- )，男，在讀碩士

U448.27

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