拱橋吊桿錨拉板式組合錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

傅科奇，石兆敏，何 為

(浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310000)

1 工程背景

傳統(tǒng)的拱橋吊桿系統(tǒng)普遍由鋼索、錨具和防護(hù)三部分構(gòu)成，吊桿梁端錨固方式采用鋼束穿過(guò)埋設(shè)在橫梁或系梁內(nèi)的鋼管至梁底，并錨固在底部，內(nèi)部灌注黃油防腐[1]。實(shí)踐證明這種錨固方式在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下，防護(hù)設(shè)施的效果不理想，導(dǎo)致耐久性不足。其次，下錨頭深埋在混凝土梁底部，檢測(cè)維護(hù)不便，在更換吊桿時(shí)需要鑿開(kāi)橋面以穿過(guò)臨時(shí)吊桿，對(duì)結(jié)構(gòu)造成不可逆的損傷。經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，拱橋吊桿破壞常見(jiàn)的表現(xiàn)為鋼索銹蝕、吊桿防護(hù)破損、下錨頭連接處破損、下錨頭銹蝕等幾類，而下錨頭病害往往最為突出，主要表現(xiàn)在以下幾方面：①吊桿錨端防水裝置破損引起腐蝕破壞；②下錨頭連接處破損引起腐蝕破壞；③封錨混凝土開(kāi)裂引起腐蝕破壞；④錨頭變形和銹蝕破壞等[2]。

為有效改善傳統(tǒng)吊桿梁端錨固結(jié)構(gòu)上的各種缺點(diǎn)，以某大跨徑拱橋項(xiàng)目為背景，研究提出一種充分發(fā)揮鋼與混凝土各自材料優(yōu)點(diǎn)的新型組合結(jié)構(gòu)，大幅度提高吊桿梁端錨固結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性。

某大跨徑拱橋結(jié)構(gòu)計(jì)算跨徑L=100m，拱軸線為二次拋物線，矢跨比為1/5，矢高20m。拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土，截面高260cm；吊桿采用工廠生產(chǎn)的雙層PE防護(hù)的PES7-85成品拉索，全橋共設(shè)吊桿18對(duì)，吊桿間距510cm；系梁采用工字形斷面，高280cm?？傮w布置如圖1所示。

圖1 某大跨徑拱橋總體布置圖

2 組合錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)本橋結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，借鑒斜拉橋索梁錨固構(gòu)造特點(diǎn)，分別提出了錨箱式組合錨固、雙錨板式組合錨固和錨拉板式組合錨固三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析比選[3-9]，綜合比選結(jié)果見(jiàn)表1所示。

最終采用錨拉板式組合錨固結(jié)構(gòu)，并確定尺寸用于實(shí)橋設(shè)計(jì)施工。如圖2所示，錨拉板式組合錨固結(jié)構(gòu)主要由插入混凝土的錨拉板、加勁板、底端錨板等組成。設(shè)計(jì)的具體思路是通過(guò)將預(yù)先制作的全鋼錨固構(gòu)件埋入混凝土梁內(nèi)，利用開(kāi)孔板連接件保證混凝土與鋼構(gòu)件的充分結(jié)合，將吊桿錨頭提升至橋面以上，通過(guò)銷鉸式連接將吊桿豎向力傳遞給錨固構(gòu)造。

表1 組合錨固結(jié)構(gòu)方案比選

圖2 吊桿組合錨固結(jié)構(gòu)示意圖

3 組合錨固結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

利用通用有限元軟件ANSYS 12.1對(duì)組合錨固結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算分析，考慮到模型單元數(shù)的控制，本次分析只對(duì)最大吊桿力處的節(jié)段進(jìn)行建模。以錨固點(diǎn)為中心，系梁節(jié)段長(zhǎng)度取相鄰吊桿間距5.1m，橫梁取半長(zhǎng)。模型中鋼結(jié)構(gòu)部分采用SHELL63單元模擬，該單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有六個(gè)自由度：沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z方向的平動(dòng)和沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，SHELL63既具有彎曲能力，又具有膜力，可以承受平面內(nèi)荷載和法向荷載。按實(shí)際厚度建模。彈性模量取Es=2.06×105MPa，泊松比0.3。系梁和橫梁采用SOLID45實(shí)體單元模擬，Ec=3.45×104MPa，泊松比為0.167。縱橫向預(yù)應(yīng)力采用LINK8單元模擬，利用初應(yīng)變法實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力施加。計(jì)算模型示意圖見(jiàn)圖3。

通過(guò)有限元模型驗(yàn)算組合錨固結(jié)構(gòu)在不同荷載工況下，混凝土系梁、錨拉板、加勁肋、錨底板和耳板的應(yīng)力大小及分布，并計(jì)算了多排開(kāi)孔板連接件的剪力分布。考慮的荷載工況有主孔4倍最大荷載作用、副孔2倍最大荷載作用、疲勞荷載作用和橫向荷載作用。主孔施加4倍最大荷載工況，即4×(1210+150)=5440kN，計(jì)算結(jié)果如下：

圖3 計(jì)算模型示意圖

(1)混凝土系梁整體以受壓為主，縱橋向壓應(yīng)力大部分在16.8MPa以下，橫橋向整體拉應(yīng)力在0.95MPa以下，符合規(guī)范要求，混凝土受力狀況合理。詳見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 系梁縱向應(yīng)力

圖5 系梁橫向應(yīng)力

(2)錨拉板的Mises應(yīng)力分布呈現(xiàn)從上至下遞減的趨勢(shì)，上部最大應(yīng)力在268.3MPa以內(nèi)，滿足規(guī)范要求，詳見(jiàn)圖6。

圖6 錨拉板Mises應(yīng)力分布圖

(3)加勁肋頂部與錨拉板焊接處和最上排的開(kāi)孔邊緣存在集中應(yīng)力，其余部分Mises應(yīng)力在153.3MPa以內(nèi)，滿足規(guī)范要求，詳見(jiàn)圖7。

圖7 加勁肋M(jìn)ises應(yīng)力分布圖

(4)耳板主孔加載時(shí)主孔一側(cè)未加厚耳板的Mises應(yīng)力在241MPa以內(nèi)，副孔側(cè)的應(yīng)力在96.9MPa以內(nèi)，滿足規(guī)范要求，應(yīng)力主要集中于主孔上半圓與銷軸的接觸面上，詳見(jiàn)圖8。

圖8 耳板Mises應(yīng)力分布圖

(5)圖9顯示錨拉板上的單孔剪力值由上排至下排，由左列至右列逐漸減小，最大剪力值達(dá)到142.6kN；圖10顯示加勁肋開(kāi)孔剪力隨著深度的增加逐漸減小，單孔最大剪力為111.8kN。

圖9 錨拉板連接件剪力分布圖

4 結(jié) 語(yǔ)

為了改善傳統(tǒng)吊桿梁端錨固結(jié)構(gòu)的各種缺點(diǎn)，研究提出利用組合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)吊桿在梁端的錨固，充分發(fā)揮了鋼與混凝土材料性能的優(yōu)點(diǎn)，在受力性能滿足規(guī)范要求的前提下使錨固區(qū)具有較大的剛度、較好的疲勞性能和耐久性。錨拉板式組合錨固結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)預(yù)埋式錨固結(jié)構(gòu)剛度大，貫穿鋼筋的開(kāi)孔連接件能有效將較大的吊桿力傳遞至混凝土梁，實(shí)現(xiàn)了吊桿的可靠錨固。

(2)耳孔采用的銷鉸式連接釋放了轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，可以減小吊桿中的彎矩，防止反復(fù)荷載下吊桿防護(hù)設(shè)施的開(kāi)裂。

(3)提升吊桿錨頭至橋面以上，使得錨固區(qū)空間開(kāi)闊，同時(shí)便于對(duì)吊桿錨頭進(jìn)行日常的檢測(cè)、維護(hù)。

(4)整個(gè)埋入式的錨固結(jié)構(gòu)可以提前預(yù)制，簡(jiǎn)化了吊桿錨固的施工工序。