高家花園軌道橋鋼箱梁段索梁錨固區(qū)局部應(yīng)力分析

盧 穎，徐榮鵬

(招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 重慶 400067)

高家花園軌道橋鋼箱梁段索梁錨固區(qū)局部應(yīng)力分析

盧 穎，徐榮鵬

(招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 重慶 400067)

斜拉橋索梁錨固區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受力集中，是控制設(shè)計的關(guān)鍵部位。針對高家花園軌道專用橋鋼箱梁段索梁錨固區(qū)，利用ABAQUS通用有限元軟件建立三維有限元模型，并采用線彈性模型及理想彈塑性模型對不同索力作用下的鋼箱梁錨固節(jié)段進(jìn)行計算和分析。計算和分析表明，鋼錨箱結(jié)構(gòu)受力合理。此外，還對索梁錨固區(qū)受力規(guī)律進(jìn)行分析，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計提出依據(jù)。

高家花園軌道專用橋；索梁錨固區(qū)；鋼錨箱；局部應(yīng)力

斜拉索與主梁的錨固結(jié)構(gòu)是斜拉橋中極其復(fù)雜和重要的關(guān)鍵部位，直接關(guān)系到整個橋梁的安全性，是斜拉橋設(shè)計的關(guān)鍵問題之一[1]。目前，大跨度鋼箱梁斜拉橋中常見的索梁錨固形式主要有錨拉板式結(jié)構(gòu)、耳板式結(jié)構(gòu)、錨管式結(jié)構(gòu)和錨箱式結(jié)構(gòu)等[2]，如圖1所示。

錨拉板式：錨拉板式錨固結(jié)構(gòu)由承壓板、錨拉筒、錨拉板、加勁板和加強板組成。錨拉板上部開槽，槽口內(nèi)側(cè)焊于錨拉筒外側(cè)，斜拉索穿過錨拉筒并由錨具錨固在錨管底部；錨拉板下部直接與主梁上翼板焊接；錨拉板中部除了滿足安裝錨具的空間需要外，還需連接上、下2部分。該錨固構(gòu)造簡單，便于安裝和日常檢修，但錨固系統(tǒng)外露不美觀[3]。

耳板式：耳板式連接也稱銷鉸式連接，它由主梁腹板向上伸出一塊耳板，斜拉索通過鉸或鋼管錨固在耳板上；索力直接由耳板傳遞給主梁腹板。該錨固構(gòu)造由于斜拉索離橋面較高，且能隨銷軸轉(zhuǎn)動，不能保證將阻尼器牢固地連接在主梁上，故采用內(nèi)置阻尼器，其抑制拉索振動效果不理想，且拉索只能在塔端張拉，錨固系統(tǒng)外露不美觀[3]。

錨管式：錨管式連接是在主梁或縱梁的腹板上安裝一個鋼管，斜拉索錨固于鋼管，索力通過鋼管傳遞給主梁或縱梁的腹板。該錨固構(gòu)造的錨頭裸露于梁底，使用過程中日常檢修不方便，也不美觀[3]。

錨箱式：錨箱式連接是通過設(shè)置錨固梁(塊)，將錨固梁(塊)用焊接方法或高強螺栓與主梁連接，斜拉索錨固在錨固梁(塊)上。由于錨固梁(塊)在多個方向需要補強，故設(shè)計時一般做成錨箱。該錨固構(gòu)造的拉索錨頭置于風(fēng)嘴內(nèi)，景觀效果好，但檢查維修不便[3]。

上述幾種索梁錨固形式中，鋼錨箱由于受力方式明確、施工方便等優(yōu)點已在多座大跨度斜拉橋中得到應(yīng)用。這種錨固結(jié)構(gòu)屬于空間受力體系，在斜拉索巨大拉力作用下，錨固區(qū)域的應(yīng)力分布規(guī)律比較復(fù)雜，因此需進(jìn)行深入細(xì)致的分析。本文針對高家花園軌道橋的鋼箱梁段索梁錨固區(qū)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，以驗證錨固結(jié)構(gòu)的合理性。同時還對索梁錨固區(qū)的受力規(guī)律進(jìn)行分析，為優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 工程概況

高家花園軌道專用橋是重慶市軌道交通環(huán)線的重要工程，位于內(nèi)環(huán)高速公路高家花園公路橋下游800 m處，是輕軌環(huán)線跨越嘉陵江、連接沙坪壩區(qū)和江北區(qū)的通道。該橋為52 m+68 m+340 m+66.5 m+50.5 m雙塔雙索面混合梁斜拉橋，全長約583 m，如圖2所示。該橋兩端均連接隧道，邊跨采用混凝土箱梁，中跨為鋼箱梁。

圖2 高家花園軌道橋總體布置示意

高家花園軌道專用橋按雙線城市軌道交通設(shè)計，橋面全寬19.6 m。斜拉索在鋼箱梁上的縱向標(biāo)準(zhǔn)索距為12.0 m，在混凝土梁上的縱向標(biāo)準(zhǔn)距離為8.0 m。全橋總體布置采用5跨連續(xù)半漂浮體系，主塔、輔助墩及橋臺均采用支座支承。

高家花園軌道專用橋拉索在鋼箱梁上的錨固方式采用鋼錨箱式。鋼錨箱按照斜拉索的方向安裝在鋼箱梁腹板外側(cè)并與其焊成一體，錨箱由2塊支撐板N1、N2，1塊中間開圓孔的承壓板N3，2塊分別位于錨箱內(nèi)側(cè)和外側(cè)的加勁板N4和6條左右對稱布置的加勁肋N5構(gòu)成，斜拉索經(jīng)錨箱底板的圓孔穿過錨箱，錨固在底板外側(cè)，如圖3所示。鋼錨箱構(gòu)造復(fù)雜，其幾何形狀突變、桿件厚度大、焊縫立體交錯、錨固區(qū)域應(yīng)力分布極其不均，受力呈三向狀態(tài)，應(yīng)力集中嚴(yán)重[4-5]。因此，深入研究鋼錨箱的應(yīng)力分布及傳遞規(guī)律，對于其結(jié)構(gòu)設(shè)計具有很大的參考價值和指導(dǎo)意義。

2 索梁錨固區(qū)計算模型

2.1 鋼箱梁錨固結(jié)構(gòu)及有限元離散

采用ABAQUS6.13建立鋼箱梁錨固節(jié)段的局部空間應(yīng)力分析模型。選取一個長12 m的標(biāo)準(zhǔn)鋼箱梁節(jié)段為研究對象，采用四節(jié)點四邊形縮減積分板殼單元S4R以及少量三節(jié)點三角形板殼單元S3相結(jié)合的方式對鋼箱梁節(jié)段進(jìn)行單元劃分，鋼箱梁單元尺寸約為100 mm，在應(yīng)力集中的鋼錨箱附近單元尺寸約為20 mm。鋼錨箱有限元模型如圖4所示。

圖3 鋼錨箱構(gòu)造示意

圖4 有限元模型

2.2 材料參數(shù)

鋼箱梁以及鋼錨箱采用Q345qD結(jié)構(gòu)鋼，根據(jù)GB/T 714—2008《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》得到材料特性，如表1所示。鋼錨箱各構(gòu)件鋼板厚度如表2所示。

表1 Q345qD鋼材材料特性

表2 鋼錨箱各構(gòu)件板厚 mm

對鋼箱梁拉索錨固區(qū)分別進(jìn)行彈性分析和彈塑性分析。彈塑性分析時假定材料模型為理想彈塑性模型，如圖5所示。圖5中，σs為材料屈服強度。

圖5 理想彈塑性材料模型

2.3 邊界條件與荷載

2.3.1 位移邊界條件

考慮到鋼箱梁截面左右的對稱性，本文建立的鋼箱梁節(jié)段是關(guān)于Y-Z平面的二分之一對稱模型。在Y-Z平面施加對稱約束，在順橋向遠(yuǎn)離錨箱的X-Y平面施加了固定約束，另一端背離索力作用方向的面施加轉(zhuǎn)動約束(建立參考點與端面節(jié)點耦合，約束參考點) ，如圖6所示。

圖6 荷載與邊界條件示意

2.3.2 力邊界條件

由于部分節(jié)段鋼箱梁承受較大軸力作用，故計算過程中通過在自由端面施加軸力以計入其影響(主要是對腹板應(yīng)力的影響)。整體模型主力+附加力組合軸力包絡(luò)圖如圖7所示。從圖7可以看出，靠近塔柱的第一個拉索錨固區(qū)(Z1)軸力最大，為9.4E+3 kN，而靠近跨中的拉索錨固區(qū)(Z13)軸力較小，可以忽略不計。

圖7 主力+附加力組合鋼箱梁軸力包絡(luò)圖

2.3.3 索力

由于軌道交通荷載引起的拉索索力幅值遠(yuǎn)比公路荷載的要大，因此，對于拉索索力，考慮其沿錨墊板厚度方向45°角擴散并將最不利工況的索力以均布力形式施加在鋼錨箱承壓板環(huán)形面上(如圖6所示)，分別采用線彈性模型及理想彈塑性模型對箱梁錨固節(jié)段進(jìn)行分析。線彈性計算時，鋼箱梁在主力+附加力組合作用下承受的最大索力為5 000 kN；彈塑性計算時，采用15個荷載步將索力施加到最大索力的2倍即10 000 kN。

進(jìn)行彈性分析時，將鋼錨箱荷載加載到最大索力工況，查看各構(gòu)件應(yīng)力分布情況。

進(jìn)行彈塑性分析時，將鋼錨箱荷載加載到2倍最大索力工況，查看結(jié)構(gòu)塑性區(qū)分布情況。

3 索梁錨固區(qū)局部應(yīng)力分析

3.1 彈性分析結(jié)果

鋼錨箱空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在斜拉索巨大拉力作用下，錨固區(qū)域的應(yīng)力分布規(guī)律也比較復(fù)雜。本文選取錨箱附近如下應(yīng)力集中較大的板件進(jìn)行分析：1) 鋼箱梁腹板；2) 鋼箱梁腹板加勁肋和拉索橫隔板；3) 鋼錨箱承壓板、支撐板和加勁板。

采用Von-Mises等效應(yīng)力來衡量拉索鋼箱梁錨固區(qū)[7-8]。依照GB/T 714—2008《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》[9]，鋼箱梁及鋼錨箱采用Q345qD鋼材，其屈服強度為345 MPa。根據(jù)TB 10002.2—2005《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[10]，鋼材基本容許應(yīng)力對屈服強度的安全系數(shù)采用1.7左右，彎曲容許應(yīng)力習(xí)慣定為基本容許應(yīng)力的1.05倍，在考慮最不利主力+附加力組合后，容許應(yīng)力提高系數(shù)采用1.2，因此鋼材等效容許應(yīng)力限值最終取值為345/1.7×1.05×1.2=255.7 MPa。

3.1.1 鋼箱梁腹板

在主力+附加力組合作用下，在跨中區(qū)域鋼箱梁節(jié)段，若不考慮軸力影響，則局部最大等效應(yīng)力為246 MPa，小于規(guī)范限值255.7 MPa，如圖8(a)所示；在支點區(qū)域鋼箱梁節(jié)段，若考慮軸力影響，則局部最大等效應(yīng)力為330 MPa，應(yīng)力分布如圖8(b)所示。從圖8可以看出，鋼錨箱承壓板與鋼箱梁腹板焊縫應(yīng)力集中較大，此處應(yīng)力集中主要由鋼錨箱變形對腹板產(chǎn)生的面外彎矩所致。腹板內(nèi)局部區(qū)域超過了Q345鋼等效應(yīng)力容許值，但應(yīng)力集中區(qū)域相對整個腹板面積來說較小，且迅速衰減，其相鄰區(qū)域均保持在較低的應(yīng)力水平，故可以認(rèn)為強度滿足要求。

圖8 主力+附加力組合作用下腹板等效應(yīng)力分布

3.1.2 腹板加勁肋和拉索橫隔板

在主力+附加力組合作用下，腹板加勁肋局部最大等效應(yīng)力為186 MPa，小于規(guī)范限制255.7 MPa，應(yīng)力集中區(qū)域位于腹板豎向加勁肋和橫向加勁肋交界處角點處，應(yīng)力分布如圖9(a)所示。拉索橫隔板局部最大等效應(yīng)力為198 MPa，應(yīng)力同樣位于垂直相交的角點處，應(yīng)力分布如圖9(b)所示。

圖9 主力+附加力組合作用下腹板加勁肋和拉索橫隔板等效應(yīng)力分布

3.1.3 鋼錨箱承壓板、支撐板和加勁板

在主力+附加力組合作用下，承壓板作為鋼錨箱主要受力分配構(gòu)件，其局部最大等效應(yīng)力為173 MPa，應(yīng)力集中位于支撐板、加勁板與承壓板的焊縫附近，這是因為承壓板上幾道焊縫處的單元節(jié)點位移受到很強的約束，在索力的垂直壓力作用下焊縫附近單元在壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的綜合作用下產(chǎn)生了應(yīng)力集中，如圖10(a)所示。錨箱支撐板N1、N2的應(yīng)力均能滿足強度要求，支撐板與承壓板相交位置處應(yīng)力集中，節(jié)點應(yīng)力在支撐板中軸線處達(dá)到最大，向兩側(cè)減小，并沿中軸線與承壓板相交處越遠(yuǎn)，節(jié)點應(yīng)力越小，且下降很快。加勁板N4局部最大等效應(yīng)力179 MPa，應(yīng)力集中位于與承壓板相接的位置，并沿錨箱軸線方向減小，如圖10(b)所示。

3.2 彈塑性分析結(jié)果

本文進(jìn)行彈塑性分析是為了考察鋼錨箱各板件的等效塑性應(yīng)變，因此，為便于查看，僅顯示≥1E-5的等效塑性應(yīng)變區(qū)域。在計算模型中當(dāng)云紋圖中PEEQ<1E-5時，可以認(rèn)為幾乎沒有發(fā)生塑性變形[11]。

3.2.1 鋼箱梁腹板

2倍主力+附加力組合作用下鋼箱梁腹板塑性應(yīng)變分布如圖11所示。從圖11可以看出，鋼錨箱頂、底板與鋼箱梁腹板焊縫僅端部出現(xiàn)局部塑性區(qū)，塑性區(qū)面積相對腹板尺寸較小，最大塑性區(qū)面積為0.023 m2，不會對結(jié)構(gòu)剛度和強度產(chǎn)生影響；而鋼錨箱承壓板與鋼箱梁腹板焊縫盡管出現(xiàn)了1條較為狹長的塑性區(qū)，但其是鋼錨箱變形對腹板產(chǎn)生面外彎矩作用所致，并非由沿焊縫方向的剪力造成，故其也不會發(fā)展貫通。

3.2.2 腹板加勁肋和拉索橫隔板

2倍主力+附加力組合作用下鋼箱梁腹板加勁肋和拉索橫隔板塑性應(yīng)變分布如圖12所示。從圖12可以看出，腹板加勁肋上塑性區(qū)較小，塑性區(qū)尺寸約為8E-4 m2，僅為1～2個單元面積，遠(yuǎn)小于構(gòu)件本身尺寸；拉索橫隔板上塑性區(qū)較小，塑性區(qū)尺寸約為4E-4 m2，遠(yuǎn)小于橫隔板自身尺寸。

圖10 主力+附加力組合作用下鋼錨箱承壓板、支承板和加勁板等效應(yīng)力分布

圖11 2倍主力+附加力組合作用下腹板塑性區(qū)應(yīng)變分布(局部加密處單元尺寸20 mm)

3.2.3 鋼錨箱承壓板、支撐板和加勁板

2倍主力+附加力組合作用下鋼錨箱承壓板、支撐板和加勁板塑性應(yīng)變分布如圖13所示。從圖13可以看出，鋼錨箱承壓板塑性區(qū)較小，僅為1個單元面積即4E-4 m2；鋼錨箱支撐板塑性區(qū)也較小，僅為3個單元面積即1.2E-3 m2，支撐板塑性區(qū)面積均遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)尺寸，因此可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)是安全的。

4 結(jié)論

本文對高家花園軌道專用橋拉索-鋼箱梁錨固區(qū)局部應(yīng)力進(jìn)行了分析，并得出以下結(jié)論：

1) 對最大索力工況進(jìn)行偏于保守的彈性計算時，僅僅在支點區(qū)域鋼箱梁腹板局部出現(xiàn)了超過屈服應(yīng)力的小范圍應(yīng)力集中，此時最大等效應(yīng)力為330 MPa，位于鋼箱梁腹板與鋼錨箱承壓板相交處。當(dāng)采用更為精確的彈塑性計算時，應(yīng)力重分布，屈服應(yīng)力的擴散較為均勻，故可以認(rèn)為強度滿足要求。

2) 在2倍最大索力工況下，雖然各個板件上的最大等效應(yīng)力都達(dá)到屈服值345 MPa，但高應(yīng)力區(qū)域很小，并迅速衰減，且其相鄰區(qū)域均保持在較低的應(yīng)力水平；等效塑性應(yīng)變區(qū)域尺寸較小(其中最大的1個面積為0.023 m2，出現(xiàn)在與錨箱底板交界的腹板上)，沒有出現(xiàn)大規(guī)模屈服現(xiàn)象,說明該索梁錨固結(jié)構(gòu)受力合理。

3) 斜拉索拉力通過鋼錨箱支撐板和承壓板與腹板連接的焊縫，主要以剪力形式傳遞到腹板上，腹板上的力通過橫隔板、箱梁頂板和底板傳遞到整個界面，并均勻擴散。鋼錨箱支撐板和承壓板與鋼箱梁腹板焊縫應(yīng)力集中較大，故需加強焊縫質(zhì)量控制以保證結(jié)構(gòu)安全。

[1]周 良，胡 洋，鄧瑋琳，等.上海閔浦二橋索梁鋼錨箱錨固區(qū)應(yīng)力分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，2009(9)：38-41.

[2]李小珍，蔡 婧，強士中．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]．土木工程學(xué)報，2004，37(3)：73-79．

[3]滿高洪.大跨度鋼斜拉橋錨固結(jié)構(gòu)試驗研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2003.

[4]劉慶寬，強士中，張 強，等.斜拉橋錨箱式索梁錨固區(qū)應(yīng)力分析[J].橋梁建設(shè)，2001(5)：14-16.

[5]黃 融.世界最大共軌合建隧橋工程-上海長江大橋關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新[M].北京：人民交通出版社，2011.

[6]陳偉慶.斜拉橋鋼箱梁索梁錨固區(qū)靜力模型試驗應(yīng)力分析研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2000.

[7]劉 雯，宋緒丁，趙 巖，等.斜拉橋索梁錨固區(qū)受力有限元分析及其優(yōu)化設(shè)計[J].交通科技，2013(1):4-6.

[8]莊 茁.基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[9]中鐵大橋勘測設(shè)計院有限公司. 鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：TB 10002.2—2005[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[10]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. 橋梁用結(jié)構(gòu)鋼：GB/T 714—2000[S].北京：國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2000.

[11]曹金鳳，石亦平. ABAQUS有限元分析常見問題解答[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009

Local Stress Analysis of Cable-Girder Anchorage Zone in Steel Box Girder Section of Gaojiahuayuan Track Bridge

LU Ying,XU Rongpeng

The cable-beam anchorage zone of cable-stayed bridge has complex structure and concentrated force,which is the key part of control design. In this paper,for the bridge girder anchorage zone of Gaojiahuayuan Track Bridge,3D finite element model is established by using ABAQUS general finite element software. And the linear elastic model and the ideal elastic-plastic model are used to calculate and analyze the anchorage section of steel box girder under different cable forces. The calculation and analysis show that the steel anchored box structure is reasonable in the force. In addition,analysis carried out for force rules of the cable-girder anchorage zone,so to provide reference for further optimization design.

Gaojiahuayuan Track Bridge; cable-girder anchorage zone; steel anchored box; local stress

10.13607/j.cnki.gljt.2016.06.013

重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項目(KJ1500528)

2016-06-23

盧 穎(1985-)，女，湖北省隨州市人，碩士，工程師。

1009-6477(2016)06-0055-06

U448.27

A