鋼箱梁斜拉橋索梁錨固區(qū)鋼錨箱受力性能及結(jié)構(gòu)局部?jī)?yōu)化研究

呂文舒，陳星燁，張祖軍

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)是斜拉橋的重要傳力構(gòu)件之一，其結(jié)構(gòu)和受力復(fù)雜，承受的集中荷載大，局部應(yīng)力集中效應(yīng)明顯，是斜拉橋設(shè)計(jì)、施工及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。因此有必要對(duì)索梁錨固區(qū)鋼錨箱進(jìn)行局部有限元計(jì)算分析，掌握其受力規(guī)律，對(duì)應(yīng)力較大部位進(jìn)行局部構(gòu)件優(yōu)化，保證結(jié)構(gòu)受力安全。

1 工程概況

某三跨雙塔斜拉橋，主梁采用鋼箱梁與混凝土箱梁相結(jié)合的混合梁，為半漂浮體系，塔梁固結(jié)，墩梁分離。兩橋塔為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，沿跨中軸線對(duì)稱布置，橋面以上主塔全高75 m。主塔中心軸線順橋向兩側(cè)共22 m范圍采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，其余部分為閉口鋼箱梁，鋼箱梁與混凝土梁段采用鋼-混結(jié)合段連接。采用扇形單索面布置于橋面中心，拉索錨固于鋼箱梁上，主梁上索距12 m，塔上索距4 m。

根據(jù)該斜拉橋整體有限元計(jì)算結(jié)果，其跨中位置梁段斜拉索傾角最小、索力值最大。故取主梁跨中位置索梁錨固區(qū)域?yàn)榉治鲅芯繉?duì)象，即Z12拉索錨固梁段8 m區(qū)域段。錨固區(qū)按照實(shí)際位置布置，錨固區(qū)板件尺寸按照橋梁實(shí)際情況設(shè)置，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1～3。

圖1 橋型布置圖(單位：cm)

圖2 鋼錨箱構(gòu)造圖(單位：mm)

2 有限元模型建立

使用Ansys建立有限元局部模型，為較精確地反映鋼箱梁的薄壁特性，所有構(gòu)件均使用板殼單元模擬，其中主梁和錨固區(qū)采用Shell63單元，錨墊板N8和N2重合區(qū)域以及N3、N2采用板殼單元Shell181，并使用偏置功能，材料均為Q345鋼材。該文重點(diǎn)關(guān)注索梁錨固區(qū)鋼錨箱受力，因此對(duì)鋼錨箱位置采用精細(xì)網(wǎng)格劃分，單元尺寸控制為3 cm，鋼箱梁受力為次要控制因素，取單元尺寸為5 cm。主梁靠近索塔側(cè)截面，橫向采用對(duì)稱約束；忽略主梁橫向變形，橫橋向兩端采用固結(jié)約束。整個(gè)模型共劃分為915 400個(gè)節(jié)點(diǎn)，922 073個(gè)單元，有限元模型如圖4、5所示。

圖3 鋼錨箱板件編號(hào)圖(單位：cm)

圖4 梁段整體有限元模型

圖5 錨固區(qū)有限元模型

在計(jì)算過(guò)程中，索力作為外荷載施加于錨固區(qū)位置，根據(jù)GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求，取成橋恒載+最不利活載工況下最大索力值為施加荷載，其值為4 195 kN，作為面荷載施加至錨墊板上。

3 計(jì)算結(jié)果

由于鋼箱梁索梁錨固區(qū)為空間受力構(gòu)件，力學(xué)行為復(fù)雜，因此重點(diǎn)研究錨固區(qū)域的局部變形及應(yīng)力分布情況，錨箱重要構(gòu)件的計(jì)算結(jié)果如下。

3.1 錨箱變形計(jì)算結(jié)果

綜合考慮恒載+最不利活載工況的最大索力作用下，得到鋼錨箱錨固區(qū)域局部變形圖，計(jì)算結(jié)果表明：錨固區(qū)最大變形為2.07 mm，出現(xiàn)位置為錨箱錨墊板底部。

3.2 錨箱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖6～9為錨箱在結(jié)構(gòu)自重、正常使用極限狀態(tài)下最大索力及其他附加荷載組合下錨固區(qū)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，計(jì)算時(shí)忽略邊界條件導(dǎo)致的應(yīng)力集中效應(yīng)。

圖6 拉索錨固區(qū)等效應(yīng)力(單位：MPa)

圖7 拉索錨固區(qū)主應(yīng)力(單位：MPa)

圖8 錨固區(qū)橫橋向應(yīng)力(單位：MPa)

圖9 錨固區(qū)豎橋向應(yīng)力(單位：MPa)

由圖6～9可知：拉索錨固區(qū)的最大主拉應(yīng)力約為157.2 MPa，最大壓應(yīng)力約為-169.16 MPa，橫橋向最大拉應(yīng)力為165.7 MPa，最大壓應(yīng)力為-113.6 MPa。等效峰值應(yīng)力為182.3 MPa，出現(xiàn)位置為上下錨墊板位置。另外錨固區(qū)與鋼箱梁腹板連接位置應(yīng)力水平也較高。

3.3 重要構(gòu)件受力計(jì)算結(jié)果

考慮到錨固區(qū)結(jié)構(gòu)構(gòu)件復(fù)雜，應(yīng)力分布情況僅僅通過(guò)整體應(yīng)力結(jié)果還無(wú)法精確把握，為保證結(jié)構(gòu)安全，掌握重要構(gòu)件的受力規(guī)律，需對(duì)錨箱主要受力板件的應(yīng)力分布進(jìn)一步探討。

錨箱重要傳力構(gòu)件有N1(抗剪板)、N2、N3、N4、N5、N5a、N6、N7以及錨墊板N8和主梁錨固區(qū)段腹板，通過(guò)Ansys計(jì)算得到以上重要構(gòu)件的應(yīng)力情況，忽略板件倒角及連接處應(yīng)力集中現(xiàn)象，各板件應(yīng)力結(jié)果如表1、圖10、11所示。

表1 鋼錨箱重要構(gòu)件受力結(jié)果

由表1、圖10、11可知：

圖10 抗剪板N1等效應(yīng)力(單位：MPa)

(1)主梁錨固區(qū)位置等效峰值應(yīng)力為182.3 MPa，滿足規(guī)范要求。

圖11 鋼腹板等效應(yīng)力(單位：MPa)

(2)錨墊板N8作為主要受力構(gòu)件，在組合荷載工況下，等效峰值應(yīng)力為163.7 MPa，滿足規(guī)范要求，其余各主要受力板件同樣滿足規(guī)范要求。

(3)鋼錨箱抗剪板N1倒角位置及抗剪板與腹板結(jié)合處位置存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，局部應(yīng)力較大，有必要優(yōu)化結(jié)合處截面的過(guò)渡方式，改善應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4 板件連接優(yōu)化設(shè)計(jì)及對(duì)比

有限元計(jì)算分析表明，鋼錨箱的受力相對(duì)復(fù)雜，鋼錨箱板件倒角及連接位置存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，部分板件應(yīng)力值較大，由于受抗剪板的影響，鋼箱梁腹板也存在較大的應(yīng)力值。因此為了改善抗剪板與鋼箱梁腹板的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)抗剪板結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)鋼錨箱最大變形出現(xiàn)的位置，將抗剪板長(zhǎng)度單向向外延長(zhǎng)60 cm，并保證荷載、邊界條件完全一致，忽略鋼箱梁其他部件的影響，對(duì)比分析鋼錨箱及重要板件的應(yīng)力狀態(tài)。

4.1 變形對(duì)比

圖12為該鋼錨箱優(yōu)化前后局部變形結(jié)果。由圖12可知：優(yōu)化后錨固區(qū)最大變形由2.07 mm降低至1.75 mm，降低幅度約為15.5%，優(yōu)化結(jié)果表明：通過(guò)延長(zhǎng)抗剪板尺寸，可有效提高索梁錨固區(qū)整體剛度，對(duì)結(jié)構(gòu)變形具有更好的約束作用。

圖12 優(yōu)化前后原設(shè)計(jì)錨固區(qū)變形對(duì)比(單位：mm)

4.2 應(yīng)力對(duì)比

4.2.1 錨固區(qū)局部應(yīng)力對(duì)比

對(duì)鋼錨箱優(yōu)化前后局部應(yīng)力結(jié)果對(duì)比表明：優(yōu)化前錨箱各板件最大等效峰值應(yīng)力為182.3 MPa，出現(xiàn)于N1板件；優(yōu)化后其值為141.2 MPa，出現(xiàn)于N8板件,降低幅度顯著，降幅為22.5%，同時(shí)鋼錨箱局部高應(yīng)力區(qū)域有一定程度減小，結(jié)果表明：通過(guò)延長(zhǎng)抗剪板尺寸，可有效降低索梁錨固區(qū)等效應(yīng)力峰值，改善應(yīng)力分布狀態(tài)，降低高應(yīng)力區(qū)域面積。

4.2.2 主要受力板件應(yīng)力對(duì)比

為從簡(jiǎn)概述，該節(jié)僅對(duì)優(yōu)化前后鋼錨箱各主要傳力板件的等效峰值應(yīng)力及最大主拉應(yīng)力作對(duì)比分析，結(jié)果如表2所示。

表2 鋼錨箱優(yōu)化前后各主要傳力板件等效峰值應(yīng)力及最大主拉應(yīng)力對(duì)比 MPa

由表2可知:對(duì)抗剪板尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，鋼錨箱在結(jié)構(gòu)自重、正常使用極限狀態(tài)下最大索力及其他附加荷載組合作用下的等效峰值應(yīng)力和最大主拉應(yīng)力值有較大程度的降低，應(yīng)力分布也有良好改善，優(yōu)化后模型只在非常小的區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布較優(yōu)化前更為均勻，受力更為合理，因此認(rèn)為該優(yōu)化措施起到了良好的效果，能明顯改善鋼錨箱受力。

5 結(jié)論

(1)在結(jié)構(gòu)自重、正常使用極限狀態(tài)下最大索力及其他附加荷載組合作用下，索梁錨固區(qū)鋼錨箱各板件優(yōu)化前最大等效峰值應(yīng)力為182.3 MPa，滿足規(guī)范要求。

(2)優(yōu)化前索梁錨固區(qū)鋼錨箱最大等效峰值應(yīng)力出現(xiàn)于N1抗剪板上，且其倒角位置有應(yīng)力集中現(xiàn)象，致使與之連接的鋼腹板應(yīng)力水平同樣較高，在工程實(shí)際中應(yīng)對(duì)該部位引起重視，或做局部加強(qiáng)處理。

(3)計(jì)算結(jié)果分析表明，抗剪板加長(zhǎng)能有效提高結(jié)構(gòu)局部剛度，結(jié)構(gòu)的變形有一定程度的減小，同時(shí)鋼腹板和抗剪板的等效應(yīng)力以及主拉應(yīng)力峰值均明顯降低，同時(shí)該優(yōu)化方案改善了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，使結(jié)構(gòu)受力更加合理，應(yīng)力集中也有一定減小，該優(yōu)化方案可為同類型工程提供借鑒。