小干大橋組合索塔錨固區(qū)受力特點(diǎn)研究

高恩全，沈旭東

（浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006）

小干大橋組合索塔錨固區(qū)受力特點(diǎn)研究

高恩全，沈旭東

（浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006）

小干大橋位于329國道舟山普陀勾山至小干島段，主橋橋跨為130 m+300 m+130 m,混凝土斜拉橋，索塔區(qū)采用鋼錨梁-鋼牛腿組合結(jié)構(gòu)，錨固區(qū)結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜。采用空間有限元理論對(duì)其受力特點(diǎn)進(jìn)行分析，為同類錨固結(jié)構(gòu)提供一定參考依據(jù)。

斜拉橋；索塔錨固區(qū)；鋼錨梁-鋼牛腿；受力特點(diǎn)；計(jì)算模型

1 概述

1986年建成的加拿大安娜西斯橋（Annacis Bridge）首次使用了混凝土牛腿-鋼錨梁式組合索塔錨固結(jié)構(gòu)[1]。這種結(jié)構(gòu)是將鋼錨梁支撐在空心塔柱橫壁內(nèi)側(cè)設(shè)置的混凝土牛腿上，斜拉索穿過預(yù)埋在塔壁內(nèi)的索導(dǎo)管錨固在鋼錨梁兩端的錨塊上，與前述兩種錨固結(jié)構(gòu)相比，鋼錨梁需要占用塔柱內(nèi)一定的空間，因此一般要求塔柱截面尺寸不宜太小[2]。鋼錨梁式索塔錨結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋼錨梁式組合索塔錨固結(jié)構(gòu)

后期的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)鋼錨梁式索塔錨固結(jié)構(gòu)做了兩個(gè)重大改進(jìn)：一是將錨固結(jié)構(gòu)焊在鋼錨梁的兩側(cè)，以適應(yīng)空間索面；二是將混凝土牛腿改為鋼牛腿，通過牛腿壁板在豎向連成整體，鋼牛腿與混凝土塔壁間采用剪力釘群進(jìn)行連接。鋼錨梁-鋼牛腿組合錨固結(jié)構(gòu)立面及平面布置如圖2、圖3所示。

圖2 鋼錨梁-鋼牛腿組合錨固結(jié)構(gòu)立面布置

圖3 鋼錨梁-鋼牛腿組合錨固結(jié)構(gòu)平面布置

2 受力特性

鋼錨梁結(jié)構(gòu)，集成了錨固結(jié)構(gòu)的所有部件(包括鋼錨梁、鋼牛腿和索導(dǎo)管等)，可在工廠進(jìn)行整體拼裝和匹配，吊裝重量比鋼錨箱輕，鋼錨梁支撐在鋼牛腿蓋板的聚四氟乙烯滑板上，斜拉索的水平分力中兩側(cè)相等部分由鋼錨梁承擔(dān)，水平不平衡力通過鋼錨梁與鋼牛腿間的摩阻力或順橋向兩端的限位擋塊傳遞給鋼牛腿壁板，再由壁板傳遞給索力水平分力較大一側(cè)的混凝土塔壁，斜拉索豎向分力由壁板剪力連接件傳遞給混凝土塔壁，這樣即可使塔壁承受的水平力大大減少，在正常使用條件下混凝土塔壁拉應(yīng)力小，可不設(shè)環(huán)向預(yù)應(yīng)力索，施工比混凝土牛腿方便快捷。因上述優(yōu)點(diǎn)，鋼牛腿-鋼錨梁組合索塔錨固結(jié)構(gòu)在我國迅速得到推廣。荊岳長江大橋、廈漳大橋南、北叉斜拉橋、鴨綠江大橋、九江長江公路大橋等大跨度斜拉橋都相繼采用了鋼牛腿-鋼錨梁組合索塔錨固結(jié)構(gòu)[3]。

鋼錨梁式索塔錨固結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外斜拉橋上的應(yīng)用情況見表1。

表1 鋼錨梁式索塔錨固體系應(yīng)用情況

3 項(xiàng)目概況

小干大橋位于329國道舟山普陀勾山至小干島段，主橋采用雙塔雙索面PC梁斜拉橋，三跨布置，邊、中跨之比為0.433，主橋長560 m，斜拉索采用扇形空間索面（見圖4）。索塔承臺(tái)以上全高113.5 m，每塔每索面共18對(duì)斜拉索。除1號(hào)斜拉索錨固于混凝土塔柱以外，其余均采用鋼錨梁與鋼牛腿組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行錨固。鋼錨梁主要由錨固箱板件及縱向板件構(gòu)成（見圖5）。

圖4 小干大橋總體布置圖（單位：m）

圖5 鋼錨梁一般構(gòu)造圖

4 錨固區(qū)受力分析

4.1 計(jì)算模型

混凝土彈性模量為3.45×1010N/m2，模型中鋼材（Q345C）按彈塑性材料考慮，彈性模量E取2.1× 1011N/m2，材料達(dá)到屈服強(qiáng)度345 MPa，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值為0.001 643；材料達(dá)到極限強(qiáng)度480 MPa，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值為0.21。其應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6所示。

圖6 Q345C鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

鋼錨梁選取塔柱水平力最大節(jié)段GML17。計(jì)算時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)組合下最不利荷載。鋼錨梁結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，除主要板件直接受力以外，加勁板有效地減小了板件連接處的應(yīng)力集中。為了更進(jìn)一步反應(yīng)結(jié)構(gòu)受力，模型采用10節(jié)點(diǎn)高階四面體單元。鋼牛腿與鋼錨梁之間采用一端固定、一端滑動(dòng)，滑動(dòng)端、鋼錨梁與鋼牛腿之間采用接觸連接。鋼牛腿與混凝土塔柱之間受力復(fù)雜，無論是采用梁單元或是彈簧單元進(jìn)行模擬，對(duì)端部壁板承擔(dān)豎向力比例及剪力釘受力產(chǎn)生較大影響，其他方面影響有限[3]。因此在鋼牛腿與混凝土塔柱之間采用平衡方程進(jìn)行固定約束。外側(cè)混凝土按實(shí)際混凝土尺寸，采用8節(jié)點(diǎn)正六面體單元進(jìn)行劃分。模型共采用單元152 946個(gè)，節(jié)點(diǎn)285 686個(gè)。圖7為有限元模型。

圖7 有限元模型

4.2 計(jì)算結(jié)果

從以下計(jì)算結(jié)果中可以看出，鋼錨整體受力均勻，除部分焊接處應(yīng)力較為集中外，板件應(yīng)力主要分布于80～100 MPa之間。其中腹板受力在80～95 MPa之間，頂板受力在80～92 MPa之間，底板受力在83～98 MPa之間。板件焊接處應(yīng)力集中明顯，多發(fā)生于板件結(jié)束末端。圖8～圖13為應(yīng)力云圖。

圖8 整體von-Mises應(yīng)力云圖

圖9 腹板von-Mises應(yīng)力云圖

圖10 頂板von-Mises應(yīng)力云圖

圖11 底板von-Mises應(yīng)力云圖

圖12 錨固箱側(cè)板von-Mises應(yīng)力云圖

圖13 錨固箱頂板von-Mises應(yīng)力云圖

4.3 鋼錨梁連接方式比對(duì)

鋼錨梁、鋼牛腿之間連接方式與鋼錨梁結(jié)構(gòu)承擔(dān)的水平平衡力聯(lián)系密切，故選取以下3種模式進(jìn)行研究。連接方式及相應(yīng)計(jì)算結(jié)果見表2。限于篇幅限制，此處僅給出應(yīng)力差異較大的底板應(yīng)力分布。

表2 鋼錨梁連接方式比對(duì)

從以上分析結(jié)果中可以看出，在鋼錨梁一端滑動(dòng)（無摩擦）的情況下，鋼錨梁承擔(dān)所有水平平衡力。在塔柱施工過程中，錨梁與鋼牛腿的接觸面之間采用不銹鋼和四氟板構(gòu)成滑動(dòng)摩擦副，用以消除鋼錨梁與鋼牛腿接觸面之間的摩阻力對(duì)塔的影響，確保平衡水平分力全部由鋼錨梁承受的受力模式。工地整體組裝前，四氟板面涂硅脂，增加摩擦副的潤滑性。采取相應(yīng)措施后，摩擦系數(shù)可降至0.05左右。此時(shí)可以看出相較無摩擦下水平平衡力略有下降，降幅為2.8%，應(yīng)力分布相近，應(yīng)力幅值下降5%，內(nèi)力及應(yīng)力結(jié)果基本一致。如果直接采用兩端固定的方式進(jìn)行連接，可以看出鋼錨梁應(yīng)力下降劇烈，鋼錨梁承擔(dān)水平平衡下降至52.7%，其余荷載均由塔柱承擔(dān)，塔柱受力增加。在塔柱設(shè)計(jì)時(shí)需要增加環(huán)向預(yù)應(yīng)力或普通鋼筋配筋率。此時(shí)鋼錨梁承擔(dān)水平平衡力與鋼錨箱相近，由于鋼錨梁結(jié)構(gòu)尺寸相比鋼錨箱較小，因此承擔(dān)水平平衡力有限。固鋼錨梁與鋼牛腿設(shè)計(jì)時(shí)不宜采取兩端固定的方式。

4.4 局部板件應(yīng)力分析

（1）錨固箱側(cè)板后方加勁板

從以下結(jié)果中可以看出：采用加勁板后錨固箱側(cè)板應(yīng)力集中得到明顯改善，應(yīng)力由284 MPa下降到95 MPa；錨固箱側(cè)板應(yīng)力整體應(yīng)力增加，應(yīng)力分布更為均勻；錨固箱側(cè)板與鋼錨梁腹板共同承擔(dān)斜拉索水平與豎向力。在錨固箱側(cè)板增加加勁板后，錨固箱側(cè)板分得水平力由38.6%增加至40.9%，并使錨固箱室受力趨于平均。如圖14所示。

圖14 錨固箱側(cè)板后方von-Mises應(yīng)力云圖

（2）鋼錨梁隔板

從以下結(jié)果中可以看出：在鋼錨梁頂板與腹板焊接位置處，考慮隔板作用焊縫處最大應(yīng)力由345 MPa下降至232 MPa；在鋼錨梁腹板與錨固箱頂板焊接位置處，考慮隔板作用焊縫處最大應(yīng)力由259 MPa下降至129 MPa。如圖15所示。

圖15 鋼錨梁隔板von-Mises應(yīng)力云圖

5 結(jié)語

通過空間有限元實(shí)體分析可以得到以下結(jié)論：

（1）小干大橋鋼錨梁受力合理，滿足索塔錨固區(qū)受力要求，結(jié)構(gòu)安全可靠。

（2）鋼錨梁主要由頂部、底板、腹板構(gòu)成的箱型閉合結(jié)構(gòu)承擔(dān)水平力及由斜拉索偏心引起的彎矩。錨固箱相應(yīng)板件將斜拉索受力均勻傳遞至主要受力板件。板件應(yīng)力有限，應(yīng)力較高區(qū)域多集中于焊縫板件連接處。因此在鋼錨梁制作中應(yīng)保證焊接質(zhì)量。

（3）鋼錨梁與鋼牛腿直接宜采取有效措施降低滑動(dòng)摩擦系數(shù)，從而增加鋼錨梁所承擔(dān)的水平平衡力，減小塔柱受力。在摩擦系數(shù)較小時(shí)，鋼錨梁受力與一端滑動(dòng)下基本一致，內(nèi)力及應(yīng)力差不超過5%。計(jì)算時(shí)可以采用一端滑動(dòng)，進(jìn)行簡化計(jì)算。

（4）鋼錨梁加勁板有效減少了板件連接處的應(yīng)力集中，減小了焊縫處受力。本文給出了，錨固箱側(cè)板后方及鋼錨梁隔板對(duì)局部結(jié)構(gòu)的受力影響。為今后鋼錨梁板件優(yōu)化及布置形式提供參考依據(jù)。

[1]劉玉擎 .組合結(jié)構(gòu)橋梁[M].北京:人民交通出版社，2005.

[2]張喜剛，劉玉擎 .組合索塔錨固結(jié)構(gòu)[M].北京:人民交通出版社，2010.

[3]劉昌鵬，張喜剛，王仁貴，等.組合結(jié)構(gòu)的索塔錨固區(qū)受力及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)研究[J].公路，2012(1):117-121.

U448.27

A

1009-7716（2017）09-0074-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.021

2017-06-22

高恩全（1981-），男，山東平邑人，高級(jí)工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。