大傾角組合梁斜拉橋索梁錨固區(qū)受力性能分析

劉聰偉

（上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司， 上海 200437)

0 引言

斜拉橋是一種組合體系梁橋，由主梁、橋塔和斜拉索組成。依據(jù)主梁材料的不同又可以分為混凝土斜拉橋、鋼-混組合梁斜拉橋、鋼斜拉橋和混合式斜拉橋等[2]。斜拉索的索力可分解成一個水平分力和一個垂直分力，水平分力通過索梁錨固結(jié)構(gòu)傳遞給箱梁腹板和橫梁最后擴散到主梁全截面，垂直分力平衡上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的重力及車輛等荷載作用[3]-[4]。

斜拉橋之所以有很大的跨越能力，是因為斜拉橋的拉索相當(dāng)于給斜拉橋的主梁增設(shè)了很多的彈性支撐，這樣可以減少主梁彎矩、降低截面尺寸，從而達(dá)到跨越能力的提升。與懸索橋相比較，斜拉橋無需錨碇裝置，抗風(fēng)性能好，通過調(diào)整索力來控制主梁內(nèi)力，使主梁的受力更加合理，懸臂施工的方法施工方便，因此斜拉橋得到眾多橋梁設(shè)計師的青睞。

近代斜拉橋橫截面寬度和跨度都比較大，主梁的截面形式也是多種多樣，因此斜拉橋的整體和局部受力都比價復(fù)雜，而一些橋梁事故更是表明，只注重橋梁的整體計算安全而忽略了局部結(jié)構(gòu)的安全性是不可靠的，需要得到改進(jìn)。因此在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的整體分析之后，還需要對斜拉橋局部受力較大，受力比較復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行局部分析，這樣做可以使我們明確局部區(qū)域的詳細(xì)受力情況，同時還可以根據(jù)受力情況優(yōu)化設(shè)計，確保結(jié)構(gòu)安全。

而對于斜拉橋而言，索梁錨固區(qū)的設(shè)計和計算是重點和難點，這是因為隨著社會的發(fā)展，斜拉橋跨徑的增大，斜拉索的索力不斷增大，現(xiàn)在最大已經(jīng)能夠達(dá)到“千噸”級別，那么拉索傳遞來如此巨大的集中索力，將會直接影響錨固結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分布情況，如何將巨大的索力安全的擴散到主梁上，并有足夠的耐久性能是我們必須重視的問題，如果結(jié)構(gòu)不能有效的將索力擴散并傳遞到主梁上，就會造成局部結(jié)構(gòu)的破壞，從而危機全橋安全。另外在進(jìn)行斜拉橋的設(shè)計和計算時，由于索梁錨固區(qū)的形式結(jié)構(gòu)多樣，受力復(fù)雜性，使得采用傳統(tǒng)的線性和平面的分析方法已經(jīng)不能滿足計算要求，無法精確的反應(yīng)索梁錨固區(qū)的實際工作狀態(tài)。

1 索梁錨固區(qū)的連接形式

隨著計算機計算能力的提升和計算理論的不斷完善，斜拉橋得到飛速的發(fā)展，對于斜拉橋的錨固形式也是多種多樣。目前，鋼箱梁或鋼-混組合梁斜拉橋常用的的拉索與主梁的連接形式有：

（1）耳板式連接形式：也稱為銷鉸連接，這種連接形式需要將兩塊耳板焊接在鋼箱梁頂板上，然后在主梁的頂板下設(shè)置一些加緊肋板，斜拉索鉸接在耳板的銷孔上，這種構(gòu)造結(jié)構(gòu)簡單，銷鉸通過耳板將索力傳遞到主梁腹板上，我國的深圳灣公路大橋采用的這種錨固形式。

（2）錨拉板式連接形式：這種連接形式主要由錨拉板、承壓板、錨管和加勁板組成。首先需要在錨拉板上開槽，將承壓板和錨管焊接在槽口上，錨拉板下部焊接在鋼箱梁上，此外還需在錨拉板與錨管連接處和錨拉板與主梁連接處設(shè)置加勁板來增加結(jié)構(gòu)剛度，索力通過錨拉板將離力傳遞到主梁上，我國的青州閩江大橋采用的這種錨固形式。

（3）錨管式連接形式：這種連接形式主要由錨管、加勁肋和上下蓋板組成。將錨管焊接在箱梁和橫隔板上面，拉索錨固在錨管的底部，拉索通過錨管將索力傳遞到主梁上，我國天津的海河大橋采用的這種錨固形式

（4）鋼錨箱連接形式：此種連接形式應(yīng)用較廣，此種連接形式主要由承壓板、錨墊板、傳力板和一些加勁肋板等焊接成一個整體，再將焊接成的整體焊接在鋼箱梁的外腹板上面，這種方法主要依靠傳力板焊縫剪力來傳力，索力通過外置的鋼錨箱傳遞到主梁腹板和頂板上，一般大跨徑的鋼梁斜拉橋常常采用錨箱作為索梁錨固區(qū)的錨固形式，這樣做可以使受力明確、構(gòu)造簡單，而且后期養(yǎng)護(hù)維修方便[4]，我國的上海楊浦大橋、溫州鰲江特大橋等采用這種錨固形式。

斜拉橋的索梁錨固區(qū)的設(shè)計還要考慮多種因素，如施工工藝的可行性、防銹蝕能力、后期維修養(yǎng)護(hù)以及斜拉索的更換等等。

2 工程背景

某跨海斜拉橋橋主橋是跨徑布置為38.9m+70m+238m+70m+38.9m=455.8m 的雙塔雙索面斜拉橋，橋面寬度為37m。荷載標(biāo)準(zhǔn)為城-A 級，人群荷載按照《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》取用，考慮防洪、通航和抗震要求，主橋采用半漂浮體系，主梁在橋塔兩側(cè)橫梁、輔助墩、邊跨交接墩位置均設(shè)置縱向活動支座，在橫向單側(cè)設(shè)置固定支座，并在邊跨部分區(qū)域設(shè)置壓重。主塔橫橋向采用改進(jìn)的寶石型橋塔，順橋向由頂部單根塔柱過渡為兩根，采用混凝土塔。主梁為鋼—混凝土組合梁，斜拉索為雙索面，采用扇形索面布置。全橋立面布置圖如圖1 所示。

圖1 主橋立面布置圖（單位：mm）

該橋鋼錨箱置于主梁腹板外側(cè)，由于該橋?qū)挾容^大，達(dá)到37m 寬，造成拉索傾角很大，使得索梁錨固區(qū)的受力更加復(fù)雜，橫橋向受力較大，索拉力對主梁腹板產(chǎn)生較大彎矩，鋼錨箱加勁板頂端形成“刺穿”效應(yīng)，使該處腹板向內(nèi)凹陷，產(chǎn)生較大應(yīng)力。

3 有限元模型的建立與分析

有限元理論的方法就是先在每一個單元上假定一個近似解，然后求解區(qū)域內(nèi)的平衡條件，最后求出我們要的解。雖然這個解有可能是一個近似的解，但精度足夠高，滿足我們的工程需要，是一個有效的方法。對于本橋來講，采用有限元方法計算索梁錨固區(qū)受力特性，分析其受力特點，對后期的優(yōu)化等有著重要的意義。

為了得到索梁錨固區(qū)的受力情況，應(yīng)選取索力最大的錨固區(qū)和主梁研究。根據(jù)圣維南原理，為了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，選取錨固區(qū)縱向長度24.125m 進(jìn)行模擬計算，按照構(gòu)件實際尺寸大小和邊界條件應(yīng)用有限元軟件Midas/Fea 建立三維實體模型，其模型如圖2 所示。

圖2 索梁錨固區(qū)有限元

計算在最大索力作用下，索梁錨固區(qū)的應(yīng)力水平如圖3、圖4 所示，由圖可以看出，錨箱錨墊板應(yīng)力值較大，達(dá)到300Mpa 左右，此外承壓板附近加勁板也有應(yīng)力集中現(xiàn)象，但最突出的是錨箱與主梁腹板接觸處應(yīng)力值，傳力板與腹板接觸處端部應(yīng)力達(dá)448.7Mpa，因此，為了能夠清晰準(zhǔn)確的反應(yīng)錨固區(qū)應(yīng)力的分布情況，通過分析，選取鋼錨箱與主梁接觸處的三段A～C 段進(jìn)行具體分析。

圖3 錨固區(qū)應(yīng)力圖

圖4 錨箱應(yīng)力結(jié)果圖

由圖3、圖4 可以看出，A 段～C 段應(yīng)力水平較高，特別是端部應(yīng)力，其中A段應(yīng)力最大值為223 MPa，最小應(yīng)力值也達(dá)到了119MPa，B 段應(yīng)力最大值為375.3 MPa，C 段應(yīng)力最大值為448.7MPa，由圖5 可以看出，對于傳力板B 段和C 段中部應(yīng)力分布比較均勻且應(yīng)力值較小，但隨著距離的提升應(yīng)力水平呈現(xiàn)指數(shù)增長，特別是B 段和C 段端部的應(yīng)力值已經(jīng)超過材料容許值，必須盡快的找到方法來降低索梁錨固區(qū)的應(yīng)力以達(dá)到安全的目的。

通過分析，通過調(diào)整鋼板厚度、調(diào)整拉索傾角或加端部鋼板的方法可以降低索梁錨固區(qū)應(yīng)力水平，其優(yōu)化后錨箱A 段～C 段應(yīng)力水平變化值如圖5、圖6 所示。

圖5 A 段應(yīng)力結(jié)果對比

圖6 B、C 段應(yīng)力結(jié)果對比

由圖5、圖6 可以看出，通過上述的方法有效的降低了錨固區(qū)的應(yīng)力水平，優(yōu)化后A 段～C 段最大應(yīng)力值分別為113.4MPa、161.5MPa、178.0MPa。與優(yōu)化前相比應(yīng)力值分別減少了109.6MPa、213.8MPa、270.7MPa，優(yōu)化效果明顯，為今后大傾角組合梁斜拉橋的優(yōu)化提供借鑒。

4 結(jié)論

通過研究分析某跨海斜拉橋索梁錨固區(qū)的受力情況得到如下結(jié)論：

（1）大傾角斜拉橋鋼錨箱受力時在出錨墊板之外，主梁與腹板接觸處應(yīng)力值較大，特別是傳力板端部應(yīng)力大。

（2）采用調(diào)整板厚、調(diào)整拉索傾角或加端部鋼板的方法可以有效降低錨固區(qū)應(yīng)力水平，保證結(jié)構(gòu)的安全。