錨箱式并排拉索索梁錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與受力分析

吳國(guó)強(qiáng)， 鄒敏勇， 易倫雄， 張州

（中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430056）

0 引言

索梁錨固結(jié)構(gòu)是斜拉橋主梁承受并傳遞斜拉索荷載的關(guān)鍵受力結(jié)構(gòu)［1］。我國(guó)大跨度公路斜拉橋主梁多為鋼箱梁，其錨固結(jié)構(gòu)以錨箱式和錨拉板式為主［2］；大跨度鐵路斜拉橋或公鐵兩用斜拉橋主梁多為鋼桁梁，其錨固結(jié)構(gòu)以錨固在上弦節(jié)點(diǎn)的錨箱式（如天興洲長(zhǎng)江大橋、銅陵長(zhǎng)江公鐵大橋等）［3-4］和雙幅錨拉板式（如安慶長(zhǎng)江鐵路大橋、滬通長(zhǎng)江大橋等）為主［5］。

新建商丘—合肥—杭州高速鐵路（簡(jiǎn)稱商合杭高鐵）蕪湖長(zhǎng)江公鐵大橋主橋?yàn)橹骺?88 m的公鐵兩用高低矮塔鋼桁梁斜拉橋［6］，主梁下層為高3.6 m的封閉鋼箱，2片主桁通過上下弦節(jié)點(diǎn)，與下層鋼箱及上層正交異性鋼橋面板連接，構(gòu)成下層箱桁組合、上層板桁組合的強(qiáng)箱弱桁結(jié)構(gòu)。受附近軍用機(jī)場(chǎng)飛行凈空限制，橋面以上有效塔高僅為常規(guī)斜拉橋的1/2。斜拉索在“主力+附加力”組合下最大單索索力達(dá)16 000 kN，是目前國(guó)內(nèi)外單索受力最大的斜拉索。為了盡可能利用建筑空間，將斜拉索錨點(diǎn)下移，以增大斜拉索水平傾角，并采用將斜拉索錨固于下層鋼箱內(nèi)的錨箱式并排拉索索梁錨固結(jié)構(gòu)。該類結(jié)構(gòu)通過多個(gè)關(guān)鍵板件的聯(lián)合工作與協(xié)同受力，將巨大的索力均勻可靠地分散傳遞至主梁。通過對(duì)其受力特點(diǎn)與傳力特性進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性。

1 工程概況

蕪湖長(zhǎng)江公鐵大橋是新建商合杭高鐵的關(guān)鍵性控制工程，大橋位于已建蕪湖長(zhǎng)江大橋上游3.5 km，為商合杭高鐵、市域軌道交通與市政道路共4 線鐵路6 車道城市主干路共通道。蕪湖長(zhǎng)江公鐵大橋橋式布置示意見圖1。主梁為2 片主桁的鋼桁梁，三角桁桁式，鋼梁全長(zhǎng)1 234.6 m。上弦主桁中心距33.8 m，下弦主桁中心距38.0 m，主桁桁高15.0 m。鋼梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置示意見圖2。全橋在高塔與低塔兩側(cè)各布置21 對(duì)、17 對(duì)斜拉索，上下游每個(gè)梁端錨固位置各錨固2 根斜拉索。

圖1 蕪湖長(zhǎng)江公鐵大橋橋式布置示意圖

圖2 鋼梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置示意圖

斜拉索梁錨固在主桁腹桿外側(cè)下層鋼箱內(nèi)，形成錨箱式并排拉索索梁錨固結(jié)構(gòu)［7］（見圖3）。該結(jié)構(gòu)在下層鋼箱2道縱腹板上沿斜拉索受力方向焊接2塊支撐鋼板，并在每根斜拉索兩側(cè)支撐板內(nèi)部各焊接2塊隔板，2塊支撐板外焊接支撐加勁板，錨箱頂板焊接在支撐板端部，錨箱底板焊接在支撐板尾部，由頂板、支撐板、底板焊接組成封閉式鋼錨箱。為避免斜拉索錨固局部應(yīng)力集中，在錨箱頂板每根斜拉索位置焊接加厚錨墊板。斜拉索通過開孔頂板進(jìn)入由支撐板與內(nèi)隔板構(gòu)成的腔內(nèi)，通過開孔底板穿出，并最終通過錨固螺母錨固于錨墊板。錨箱各板件鋼材采用Q370qE。

相對(duì)于傳統(tǒng)的錨固上弦，桁外錨固將鋼桁梁斜拉橋錨點(diǎn)下移至下層橋面，有效增加了斜拉索水平傾角，提高了建筑高度受限條件下大跨度矮塔斜拉橋的斜拉索索力效率。

2 應(yīng)力分析

2.1 細(xì)部分析模型

選取斜拉索索力最大的GS21號(hào)斜拉索梁端鋼錨箱作為研究對(duì)象，按照圣維南原理，選擇14 m為計(jì)算模型長(zhǎng)度，腹桿及兩端邊界條件選為固定，斜拉索通過面荷載施加于錨墊板，單個(gè)錨墊板位置施加索力16 000 kN［8-9］。

采用通用有限元軟件ANSYS，建立鋼錨箱錨固結(jié)構(gòu)局部分析計(jì)算模型（見圖4）。模型按板件實(shí)際厚度建立上下支撐板、底板、頂板、隔板、錨墊板及加勁肋等，錨箱位置放大示意見圖5。錨墊板采用SOLID45單元模擬，其他板件采用SHELL63 單元模擬。在計(jì)算分析中，重點(diǎn)考察上下支撐板、頂板、底板，以及通過焊縫與錨箱連接的箱梁縱腹板。

圖3 錨箱式并排拉索索梁錨固結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 鋼錨箱錨固結(jié)構(gòu)局部分析計(jì)算模型

2.2 計(jì)算結(jié)果

2．2．1 支撐板

根據(jù)錨箱支撐板等效應(yīng)力圖，查看錨箱上下支撐板的等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（見圖6）。從計(jì)算結(jié)果看，錨箱頂、底板整體應(yīng)力水平在50～140 MPa，低于材料容許應(yīng)力；在錨箱底板與支撐板相交位置出現(xiàn)極小范圍的應(yīng)力集中，應(yīng)力集中值約240 MPa。

2．2．2 頂板與底板

根據(jù)錨箱頂板、底板等效應(yīng)力圖，查看錨箱頂板與底板的等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（見圖7）。錨箱頂板整體應(yīng)力水平在40～100 MPa，在斜拉索穿過開孔位置出現(xiàn)一定區(qū)域的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力值約234 MPa；錨箱底板整體應(yīng)力水平在40～100 MPa，在錨墊板4 個(gè)角點(diǎn)出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力值約200 MPa。

圖5 錨箱位置放大示意圖

圖6 錨箱支撐板等效應(yīng)力圖

圖7 錨箱頂板、底板等效應(yīng)力圖

2．2．3 縱腹板

根據(jù)錨箱縱腹板等效應(yīng)力圖，查看錨箱下弦箱梁兩側(cè)縱腹板的等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（見圖8）。內(nèi)側(cè)腹板應(yīng)力水平在40～120 MPa，在焊縫起止位置及板件焊接位置出現(xiàn)極小區(qū)域的應(yīng)力集中，應(yīng)力值約192 MPa；外側(cè)腹板應(yīng)力水平在30～100 MPa，在焊縫起止位置及板件焊接位置出現(xiàn)極小區(qū)域的應(yīng)力集中，應(yīng)力值約134 MPa。此外，內(nèi)側(cè)腹板應(yīng)力水平較外側(cè)縱腹板應(yīng)力水平高。

2.3 分析結(jié)果

蕪湖長(zhǎng)江公鐵大橋錨箱式并排拉索錨固結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析結(jié)果表明：（1）錨箱構(gòu)件受力均勻、傳力勻順、安全可靠；（2）各受力板件等效應(yīng)力在30～140 MPa，低于材料容許應(yīng)力；（3）在板件交點(diǎn)、倒角、開孔及焊縫起止區(qū)等局部區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力值240 MPa，低于材料屈服應(yīng)力，加工制造中應(yīng)嚴(yán)格確保焊縫質(zhì)量。

圖8 錨箱縱腹板等效應(yīng)力圖

3 傳力特性

對(duì)于鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)而言，上下支撐板及頂、底板是錨箱的主要傳力構(gòu)件，它們與加勁板件共同組成錨箱結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系，進(jìn)而通過各自與下弦鋼箱梁腹板間的焊縫實(shí)現(xiàn)斜拉索與鋼主梁之間的荷載傳遞［10-11］。錨箱位置焊縫較多，需要對(duì)錨箱各焊縫間傳力特性及應(yīng)力沿路徑分布進(jìn)行分析研究［12-16］。

鋼錨箱上下支撐板與腹板間4條焊縫沿焊縫長(zhǎng)度方向的等效應(yīng)力及剪應(yīng)力分布情況見圖9。圖中，橫坐標(biāo)x為焊縫距底板的距離；L1、L2分別為錨箱上下支撐板與腹板間焊縫；N為與內(nèi)側(cè)縱腹板焊縫，W為與外側(cè)縱腹板焊縫。其中，L1、L2 焊縫長(zhǎng)2.40 m，從計(jì)算結(jié)果可知：

（1）L1、L2 內(nèi)外4 條焊縫等效應(yīng)力分布均為馬鞍形分布，高應(yīng)力區(qū)域集中在焊縫的兩端位置，尤其在靠近頂板位置應(yīng)力增大較快并出現(xiàn)應(yīng)力集中。

（2）鋼錨箱上下支撐板焊縫除在焊縫兩端存在高應(yīng)力區(qū)域且應(yīng)力變化較大外，低應(yīng)力區(qū)段應(yīng)力也存在波動(dòng)，波動(dòng)均出現(xiàn)在箱梁腹板加勁肋附近，表明箱梁局部剛度變化會(huì)導(dǎo)致焊縫應(yīng)力相應(yīng)變化。

（3）鋼錨箱上下支撐板4條焊縫應(yīng)力水平相當(dāng)，由于錨箱受內(nèi)側(cè)腹板約束較外側(cè)腹板約束更強(qiáng)，內(nèi)側(cè)焊縫應(yīng)力稍大于外側(cè)焊縫。

圖9 鋼錨箱上下支撐板與腹板間焊縫應(yīng)力

為定量研究錨箱結(jié)構(gòu)的傳力機(jī)理，根據(jù)各焊縫位置的剪應(yīng)力分布情況分別沿焊縫長(zhǎng)度積分得到各焊縫分擔(dān)的剪力值及其分擔(dān)剪力占傳遞索力的比例，得到各主要焊縫承擔(dān)荷載比例（見表1），同時(shí)將焊縫極值應(yīng)力與焊縫上的平均應(yīng)力之比定義為應(yīng)力不均勻系數(shù)。

從表1可知：

（1）錨箱上下支撐板與內(nèi)外側(cè)縱腹板4條焊縫共承擔(dān)總荷載的96.3%，鋼錨箱頂?shù)装搴缚p是斜拉索荷載最主要的傳遞路徑；

表1 各主要焊縫承擔(dān)荷載比例

（2）鋼錨箱上下支撐板焊縫的應(yīng)力不均勻系數(shù)約1.2，下支撐板內(nèi)側(cè)焊縫最大達(dá)1.326，下支撐板外側(cè)焊縫最小達(dá)1.167；

（3）錨箱頂?shù)装迮c鋼梁腹板間焊縫傳遞的剪力占總荷載的比例較小，僅為3.7%，但其封板的應(yīng)力不均勻系數(shù)較高，最低2.680、最高4.279。

4 結(jié)論

商合杭高鐵蕪湖長(zhǎng)江公鐵大橋主橋斜拉橋?yàn)榇罂缍雀叩桶撹炝盒崩瓨?，其斜拉索在“主?附加力”組合下，單根索力達(dá)16 000 kN。為了降低索錨點(diǎn)、提高斜拉索效率，并將斜拉索安全可靠地錨固在主梁上，采用設(shè)置在主桁腹桿外側(cè)的錨箱式并排拉索錨固結(jié)構(gòu)。通過細(xì)部分析模型，得出以下結(jié)論：

（1）各板件應(yīng)力集中程度較低且范圍較小，錨箱構(gòu)件受力均勻、傳力勻順、安全可靠；

（2）錨箱上下支撐板與內(nèi)外側(cè)縱腹板的4 條焊縫，共承擔(dān)總荷載的96.3%，鋼錨箱頂?shù)装搴缚p是斜拉索荷載最主要的傳遞路徑；

（3）錨箱與腹板間焊縫剪應(yīng)力呈馬鞍形分布，應(yīng)力集中系數(shù)為1.2～1.3，在設(shè)計(jì)中可按照此值進(jìn)行鋼錨箱設(shè)計(jì)。