某下承式系桿拱橋吊桿錨固區(qū)局部受力分析

任飛

（江蘇省高速公路經(jīng)營(yíng)管理中心）

0 引言

對(duì)于系桿拱橋，除了要對(duì)其整體剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性、耐久性等進(jìn)行分析驗(yàn)算外，還須格外關(guān)注其關(guān)鍵部位的受力特性，從而為結(jié)構(gòu)的服役周期提供堅(jiān)實(shí)的保障[1-2]。吊桿錨固區(qū)是系桿拱橋中的重要受力構(gòu)件，主要分為吊桿-系梁錨固區(qū)和吊桿-拱肋錨固區(qū)。錨固區(qū)板件眾多、構(gòu)造復(fù)雜，且由于吊桿傳遞的較大的集中拉力的影響，錨固區(qū)域受力復(fù)雜，對(duì)剛度和強(qiáng)度要求高[3-5]。因此，應(yīng)對(duì)吊桿錨固區(qū)段進(jìn)行局部受力分析，對(duì)其變形情況、應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算，以確保錨固區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全、受力合理。

以一跨徑為130m的下承式鋼梁鋼拱肋系桿拱橋?yàn)楣こ瘫尘?利用大型有限元分析軟件建立了精細(xì)化的板單元有限元模型，分析其吊桿-系梁錨固區(qū)和吊桿-拱肋錨固區(qū)在外力作用下的局部變形和應(yīng)力狀態(tài)，其結(jié)果可為類似工程提供參考。

1 工程概況

主橋采用跨徑130m的下承式鋼梁鋼拱肋系桿拱橋，計(jì)算跨徑128m，矢高25.6m，矢跨比1/5。拱軸線線型為二次拋物線，拱肋橫向中心距為20.2m。拱肋結(jié)構(gòu)及系梁均采用矩形鋼箱斷面，拱的水平推力和系梁的拉力共同實(shí)現(xiàn)體系自平衡。主橋由混凝土橋面板、鋼縱梁、鋼橫梁、鋼拱肋、鋼系梁、平行鋼絲束吊桿組成。

上部結(jié)構(gòu)立面圖如圖1所示。

圖1 鋼梁鋼拱肋系桿拱總體結(jié)構(gòu)立面圖

2 吊桿錨固區(qū)構(gòu)造

2.1 吊桿-系梁錨固區(qū)構(gòu)造設(shè)計(jì)

吊桿-系梁錨固處橫隔板厚度為24mm；人孔開孔直徑為600mm，人孔鑲邊寬度220mm，厚度14mm；吊耳板長(zhǎng)度1634mm，板厚為40mm，銷孔兩側(cè)設(shè)置半徑為180mm的圓形加勁鋼板，厚度為25mm。吊耳板與橫隔板、系梁頂板進(jìn)行有效焊接，并在吊耳板豎向、橫向設(shè)置加勁鋼板。吊桿-系梁錨固構(gòu)造如圖2所示。

圖2 吊桿-系梁錨固構(gòu)造圖（單位：mm）

2.2 吊桿-拱肋錨固區(qū)構(gòu)造設(shè)計(jì)

吊桿-拱肋錨固處設(shè)置拱肋豎直橫隔板，橫隔板厚度為24mm；橫隔板兩側(cè)設(shè)置寬度120mm豎向、橫向加勁板；吊耳板長(zhǎng)度1670mm，板厚為40mm，銷孔兩側(cè)設(shè)置半徑為180mm的圓形加勁鋼板，厚度為25mm。吊耳板與拱肋橫隔板、拱肋底板進(jìn)行有效焊接，并在吊耳板豎向、橫向設(shè)置加勁鋼板。拱肋錨固構(gòu)造如圖3所示。

圖3 吊桿-拱肋錨固構(gòu)造圖（單位：mm）

3 吊桿錨固區(qū)局部受力分析

吊桿錨固區(qū)局部構(gòu)件的受力分析主要包括吊桿-拱肋、吊桿-系梁錨固區(qū)局部變形受力分析，按照《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 025-86）的要求，參考BS5400規(guī)范，利用大型通用有限元軟件ANSYS，對(duì)在豎向荷載、橫向荷載和溫度荷載不利組合作用下的各局部構(gòu)件的變形與應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。

3.1 有限元建模

吊桿-系梁錨固區(qū)和吊桿-拱肋錨固區(qū)板件眾多、構(gòu)造復(fù)雜，且由于吊桿較大的集中拉力的影響，錨固區(qū)域受力復(fù)雜；由于整體模型不容易對(duì)錨固區(qū)域局部板件受力進(jìn)行評(píng)估，因此分別建立吊桿-系梁錨固區(qū)、吊桿-拱肋錨固區(qū)三維有限元板殼模型。吊桿-系梁錨固區(qū)有限元節(jié)段模型沿縱橋向長(zhǎng)度為4m；吊桿-拱肋錨固區(qū)有限元節(jié)段模型沿縱橋向長(zhǎng)度約為1.5m，其他板件尺寸均按設(shè)計(jì)給出的參數(shù)進(jìn)行建模。錨固區(qū)有限元模型如圖4所示。

圖4 吊桿錨固區(qū)有限元模型

有限元模型鋼材板件采用SHELL63殼單元，采用四邊形單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，單元尺寸控制為20mm。彈性模量取206GPa，泊松比取為0.3。不計(jì)入局部模型的自重。兩處錨固模型單元?jiǎng)澐址謩e如圖5所示。

圖5 吊桿錨固區(qū)有限元模型

在模型邊界上采用固定約束，約束邊界單元節(jié)點(diǎn)的X、Y、Z軸向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。在耳板銷孔局部采用節(jié)點(diǎn)集中力模擬吊桿拉力。吊桿拉力值按照整體桿系模型在標(biāo)準(zhǔn)組合作用下最大吊桿拉力進(jìn)行取值，拉力值為1079.2kN。兩處錨固模型邊界條件及荷載施加分別如圖6所示。

圖6 吊桿錨固區(qū)有限元模型

3.2 吊桿錨固區(qū)局部模型計(jì)算結(jié)果

局部構(gòu)件計(jì)算主要包括拱肋、系梁錨固區(qū)局部受力計(jì)算，按照《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 025-86）的要求，參考BS5400規(guī)范，對(duì)在豎向荷載、橫向荷載和溫度荷載不利組合作用下的各局部構(gòu)件的變形與應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。

3.2.1 吊桿-系梁錨固區(qū)模型計(jì)算結(jié)果

⑴錨固區(qū)位移。圖7為吊桿-系梁錨固區(qū)有限元模型在吊桿拉力作用下位移云圖。由圖7可見，錨固區(qū)位移最大位置出現(xiàn)在吊耳板頂部，最大值約為0.55mm，隨著與吊耳板頂部距離的增大，錨固區(qū)位移越來(lái)越小，整個(gè)錨固耳板區(qū)域向上位移值約為0.3mm。

圖7 吊桿-系梁錨固區(qū)模型位移云圖

⑵錨固區(qū)應(yīng)力。圖8為吊桿-系梁錨固區(qū)有限元模型在吊桿拉力作用下吊耳板等效應(yīng)力云圖。由圖8可見，在銷孔內(nèi)部等效應(yīng)力最大約為217MPa，銷孔附近等效應(yīng)力逐漸降低至100MPa，遠(yuǎn)離銷孔位置應(yīng)力迅速降低。

圖8 吊桿-系梁錨固區(qū)模型吊耳板應(yīng)力云圖

圖9為吊桿-系梁區(qū)錨固有限元模型在吊桿拉力作用下橫隔板等效應(yīng)力云圖。由圖9可見，橫隔板等效應(yīng)力最大約為53MPa，位于系梁、吊耳板加勁鋼板交匯處，人孔上緣位置等效應(yīng)力約為42MPa。

圖9 吊桿-系梁錨固模型橫隔板應(yīng)力云圖

圖10 吊桿-系梁錨固區(qū)模型吊耳板應(yīng)力云圖

吊桿-系梁錨固區(qū)吊耳板、橫隔板、系梁及加勁板在施加的吊桿拉力作用下產(chǎn)生的等效應(yīng)力均滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.2.1 條鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

3.2.2 吊桿-拱肋錨固區(qū)模型計(jì)算結(jié)果

⑴錨固區(qū)位移。圖11為吊桿-拱肋錨固區(qū)有限元模型在吊桿拉力作用下位移云圖。由圖11可見，錨固區(qū)位移最大位置出現(xiàn)在吊耳板頂部，最大值約為0.36mm。隨著與吊耳板頂部距離的增大，錨固區(qū)位移越來(lái)越小，整個(gè)錨固耳板區(qū)域向下位移值約為0.24mm。

圖11 吊桿-拱肋錨固模型位移云圖

⑵錨固區(qū)應(yīng)力。圖12所示為吊桿-拱肋區(qū)錨固有限元模型在吊桿拉力作用下吊耳板等效應(yīng)力云圖。由圖12可見，在銷孔內(nèi)部等效應(yīng)力最大約為184MPa，附近等效應(yīng)力逐漸降低至82MPa，遠(yuǎn)離銷孔位置應(yīng)力迅速降低。

圖12 吊桿-拱肋錨固模型吊耳板應(yīng)力云圖

圖13所示為吊桿-拱肋錨固區(qū)有限元模型在吊桿拉力作用下橫隔板等效應(yīng)力云圖。由圖13可見，橫隔板等效應(yīng)力最大約為44MPa，位于橫隔板、吊耳板交匯處，吊耳板兩側(cè)橫隔板等效應(yīng)力約為20MPa。

圖13 吊桿-拱肋錨固模型橫隔板應(yīng)力云圖

圖14所示為吊桿-拱肋錨固區(qū)有限元模型在吊桿拉力作用下錨固加勁板等效應(yīng)力云圖。由圖14可見，加勁板等效應(yīng)力最大約為40MPa，位于橫隔板與人孔加勁鋼板交匯處，而加勁鋼板應(yīng)力較小。

圖14 吊桿-拱肋錨固模型加勁鋼板應(yīng)力云圖

吊桿-拱肋錨固區(qū)吊耳板、橫隔板、加勁板在施加的吊桿拉力作用下產(chǎn)生的等效應(yīng)力均滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.2.1 條鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

4 小結(jié)

⑴在最不利荷載組合作用下，吊桿-系梁錨固區(qū)最大位移為0.55mm，吊桿-拱肋錨固區(qū)最大位移為0.36mm。

⑵在最不利荷載組合作用下，吊桿-系梁錨固區(qū)最大應(yīng)力出現(xiàn)在吊耳板的銷孔內(nèi)部，為217MPa，橫隔板最大應(yīng)力為53MPa，系梁最大應(yīng)力為68MPa。吊桿-拱肋錨固區(qū)最大應(yīng)力出現(xiàn)在吊耳板的銷孔內(nèi)部，為184MPa，橫隔板最大應(yīng)力為44MPa，加勁板最大應(yīng)力為40MPa。錨固區(qū)各部件強(qiáng)度均符合規(guī)范設(shè)計(jì)要求。