中承式鋼箱拱肋拱橋鋼主梁吊桿錨固區(qū)局部分析

□文/王 沖 徐 揚(yáng) 姜 鋒

中承式鋼箱拱肋拱橋設(shè)計(jì)除了要對整體強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性進(jìn)行分析外，尚須對某些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)格外關(guān)注，以了解結(jié)構(gòu)的局部受力特性，從而為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供詳實(shí)的理論依據(jù)。本文以寧波市一主跨為160 m的中承式鋼箱拱肋拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，建立了精?xì)化實(shí)體單元、板單元有限元模型[1～2]，分析其鋼主梁吊桿錨固區(qū)在吊桿力作用下的局部應(yīng)力和穩(wěn)定情況，其結(jié)果可為類似工程提供參考。

1 工程概況

寧波市象山縣大目灣新城樂漁路特大橋主橋?yàn)闊o風(fēng)撐中承式鋼箱拱肋拱橋，跨徑布置為30 m+160 m+30 m。橋梁橫斷面布置為3 m（人行道，遠(yuǎn)期電車道）+4.5 m（人行道）+7.5 m（車行道）+7.5 m（車行道）+4.5 m（人行道），橋面全寬為27 m。見圖1。

圖1 主橋

主拱橫橋向布置為兩片拱肋，拱肋布置于人行道（電車道）外側(cè)，形成斜橋布置方案。主拱向內(nèi)傾斜5°，兩片主拱間不設(shè)置風(fēng)撐。主拱拱肋采用矩形封閉鋼箱型拱肋并在主拱跨徑1/4點(diǎn)附近由1個(gè)封閉鋼箱分叉為2個(gè)封閉鋼箱，2個(gè)鋼箱拱肋之間設(shè)置鋼桁架進(jìn)行連接。主拱肋豎直方向矢高30 m，跨徑為176 m，矢跨比1/5.86，拱軸線為圓弧線。主拱水平力通過系桿進(jìn)行平衡[3～4]。

主梁采用單箱多室整體鋼箱梁斷面，主梁外側(cè)伸出懸臂橫梁用于錨固吊桿，主梁通過吊桿和拱肋連系。同時(shí)整個(gè)主梁共設(shè)置4處支點(diǎn)，分別位于3#墩位邊拱、3#墩位主梁與主拱相交處主拱牛腿、4#墩位邊拱、4#墩位主梁與主拱相交處主拱牛腿。橋梁中心線處梁高為2.0 m，鋼梁頂板設(shè)置2.0%的雙向橫坡，底板保持水平不設(shè)置坡度。鋼箱梁上寬27 m，箱梁兩側(cè)設(shè)置2.5 m寬懸臂翼緣，鋼箱梁下寬22 m。

2 模型

2.1 概況

吊桿是連接拱肋和梁體的重要構(gòu)件，是荷載由梁體傳遞到拱肋的主要路徑。吊桿順橋向間距6 m布置，橫橋向隨拱肋傾斜布置，與拱軸線處于同一平面內(nèi)。全橋吊桿共42組，每組吊桿由2吊桿組成，以保證結(jié)構(gòu)的安全性和易維護(hù)性，吊桿順橋向布置。

吊桿上端通過錨箱錨固在拱肋箱體內(nèi)的橫隔板兩側(cè)，錨箱由承剪板、承壓板，錨墊板和加勁板組成，承剪板、承壓板焊接在橫隔板上，為主傳力構(gòu)件。

吊桿下端錨固于橫梁底，腹板兩側(cè)，方便維護(hù)。吊桿橫梁布置在對應(yīng)吊桿處，間距6 m，全長38.2 m，其中橋面27 m，兩側(cè)懸挑出橋面各5.6 m。

采用大型有限元軟件ANSYS15.0，建立用于梁端錨固吊桿的懸臂橫梁和吊桿錨箱空間模型。選取實(shí)體單元（Solid45）用來模擬錨墊板，選取板單元（Shell63）用來模擬錨箱承剪板，承剪板加勁，索導(dǎo)管等[1]。模型共用節(jié)點(diǎn)8 065個(gè)，單元19 547個(gè)。

懸臂橫梁長度取5.6 m。吊桿橫梁懸挑部分為工字型截面，頂板和底板厚度為30 mm，寬度為800 mm，橫隔板厚度為20 mm，橫隔板上布置豎向加勁和水平加勁，加勁板厚度為12 mm。吊桿錨箱由承剪板、承剪板加勁、索導(dǎo)管、錨墊板等組成。承剪板厚16 mm，承剪板加勁厚12 mm，索導(dǎo)管壁厚4.5 mm，錨墊板厚60 mm。鋼板彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.3，重度為78.5 kN/m3。

2.2 模型邊界條件和外部荷載

模型的邊界條件為在懸臂橫梁端部約束全部三個(gè)平動(dòng)自由度和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；模型外部荷載的施加分為兩種工況。見圖2。

工況I：用來模擬兩個(gè)吊桿在最不利荷載組合作用下均承受700 kN大小的拉力（雙側(cè)對稱加載）的工況，施加方式為環(huán)面荷載，拉力的大小是由Midas/Civil2015梁單元模型在最不利荷載組合為恒+活+溫度+沉降+風(fēng)，情況下算出的吊桿最大拉力，方向垂直于錨墊板向上。

工況II：用來模擬換索或斷索工況，單個(gè)吊桿承受1 400 kN大小的拉力（單側(cè)加載），施加方式亦為環(huán)面荷載，拉力的大小也是由Midas/Civil2015梁單元模型在最不利荷載組合情況下算出的吊桿最大拉力，方向垂直于錨墊板向上。

圖2 模型邊界條件和環(huán)面荷載

3 結(jié)果分析

3.1 吊桿錨固區(qū)局部應(yīng)力

圖3-圖5中紅色包圍的灰色區(qū)域表示在吊桿拉力作用下，mises應(yīng)力超過200 MPa的范圍，其中錨箱承剪板最大mises應(yīng)力為371 MPa，承剪板加勁最大mises應(yīng)力為273 MPa，索導(dǎo)管最大mises應(yīng)力為447 MPa，但這些均為應(yīng)力集中所致，可以剔除掉。

圖3 模型承剪板mises應(yīng)力

圖4 模型承剪板加勁mises應(yīng)力

圖5 模型索導(dǎo)管mises應(yīng)力

由圖6和圖7可知，錨箱錨墊板最大mises應(yīng)力為223 MPa，橫隔板加勁最大mises應(yīng)力為124 MPa。

圖6 模型錨墊板mises應(yīng)力

圖7 模型橫隔板mises應(yīng)力

3.2 吊桿錨固區(qū)局部穩(wěn)定結(jié)果

對懸臂橫梁在最不利荷載組合 （恒+活+溫度+沉降+風(fēng)）下即在吊桿拉力700 kN的作用下，懸臂橫梁的局部穩(wěn)定性做特征值屈曲分析，得到理論屈曲強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲響應(yīng)時(shí)的結(jié)構(gòu)變形。由于未考慮初始缺陷以及非線形的影響，此結(jié)果是假定吊桿拉力嚴(yán)格按照垂直于錨墊板向上加載并且結(jié)構(gòu)無缺陷的前提下得到的。

懸臂橫梁前四階失穩(wěn)系數(shù)見表1，失穩(wěn)模態(tài)見圖8。

表1 前四階穩(wěn)定系數(shù)與失穩(wěn)模態(tài)

圖8 模型失穩(wěn)模態(tài)

4 結(jié)論

1）吊桿錨固區(qū)各鋼板的mises應(yīng)力除應(yīng)力集中情況外，在最不利荷載組合下均＜200 MPa，滿足規(guī)范要求[5]。

2）吊桿錨固區(qū)在最不利荷載組合下的局部穩(wěn)定安全系數(shù)為11.976＞4，滿足規(guī)范要求。

3）吊桿錨固區(qū)傳力順暢，設(shè)計(jì)合理、可靠，可為類似工程提供參考。