大跨度斜拉橋鋼錨梁空間復(fù)雜力學(xué)性能研究

祝 兵，張子怡，張 振，宋 凡，齊 樂

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031)

斜拉橋作為一種拉索體系，跨越能力更大，并且建筑高度小、施工方便安全、橋型美觀，因此成為近年來我國(guó)大跨度橋梁中應(yīng)用最普遍的一種橋型之一。對(duì)于斜拉橋來說，其拉索的錨固結(jié)構(gòu)是保證橋梁安全的重要結(jié)構(gòu)，并且其設(shè)計(jì)必須達(dá)到傳力可靠、安全耐久、造型美觀、易于維護(hù)的基本要求[1-3]。目前工程中常見的錨固區(qū)結(jié)構(gòu)形式主要有鋼錨箱結(jié)構(gòu)和鋼錨梁結(jié)構(gòu)[4-6]。其中傳統(tǒng)的鋼錨梁結(jié)構(gòu)因造價(jià)低、施工簡(jiǎn)單便捷等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[7]。鋼錨梁的主要功能是將斜拉索局部的集中力安全、均勻地傳遞到塔柱。鋼牛腿是鋼錨梁的支撐結(jié)構(gòu)，是主要的豎向受力構(gòu)件。由于受到拉索較大的集中拉力作用，錨固結(jié)構(gòu)部位會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象[8-10]。

本文鋼錨梁結(jié)構(gòu)由頂板、單腹板和底板焊接而成，采用牛腿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鋼錨梁與混凝土的連接。本文的計(jì)算方法考慮了施工階段、牛腿頂板與錨梁底板之間的摩擦作用和預(yù)應(yīng)力作用對(duì)鋼錨梁結(jié)構(gòu)的影響。并通過采用有限元軟件對(duì)鋼錨梁在不同工況下的空間力學(xué)特性進(jìn)行計(jì)算分析，確保鋼錨梁各部分結(jié)構(gòu)受力安全，從而為后續(xù)施工設(shè)計(jì)和類似工程提供理論依據(jù)。

1 工程背景與有限元模擬

1.1 工程背景

該大跨度斜拉橋主橋孔跨布置為(72+212+560+212+72)m，為雙塔雙索面組合梁斜拉橋。主梁采用混凝土面板下設(shè)兩小縱梁的結(jié)構(gòu)形式，主塔采用菱形索塔，過渡墩、輔助墩采用空心薄壁墩，均采用群樁基礎(chǔ)。斜拉索采用高強(qiáng)度低松弛平行鍍鋅鋼絲索，全橋共176根，標(biāo)準(zhǔn)索距15 m。

1.2 有限元軟件及參數(shù)

采用三維空間分析軟件對(duì)塔頂鋼錨梁節(jié)段建立有限元模型，為簡(jiǎn)化計(jì)算，選取索力最大的塔頂鋼錨梁作為研究對(duì)象。材料參數(shù)及荷載參數(shù)的選用如下。

混凝土塔柱采用C50混凝土，彈性模量為3.45×104MPa，泊松比為0.2，密度取2 500 kg/m3；鋼錨梁采用Q345鋼材，彈性模量為2.05×105MPa，泊松比為0.3，密度取7 850 kg/m3；預(yù)應(yīng)力采用鋼絞線施加，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa，彈性模量為1.95×105MPa，泊松比為0.3，密度取7 850 kg/m3。

混凝土的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值及設(shè)計(jì)值和鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值分別見表1、表2。

表1 混凝土的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值 MPa

表2 鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 MPa

表1中，fck、ftk分別為混凝土抗壓、抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，fcd、ftd分別為混凝土抗壓、抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

1.3 計(jì)算荷載取值及施加

鋼錨梁承受的荷載主要為以下三類，模型荷載加載位置如圖1所示。

圖1 模型荷載加載位置

(1)橫梁結(jié)構(gòu)自重(自重系數(shù)取-1)。

(2)斜拉索索力荷載(取值見表3)。

(3)預(yù)應(yīng)力荷載(大小為1 395 MPa，預(yù)應(yīng)力鋼筋面積取1 688 mm2)。

根據(jù)全橋計(jì)算模型，提取塔頂最不利荷載組合下的索力值見表3，斜拉索尾索索力采用3D單元面壓力的方式施加。

表3 斜拉索索力值 kN

1.4 有限元模型及邊界條件

采用三維空間分析軟件建立了鋼錨梁模型，鋼結(jié)構(gòu)部分采用尺寸8 mm的空間四面體單元模擬，混凝土部分利用映射網(wǎng)格方法采用8～100 mm 的空間四面體單元模擬。

鋼錨梁有限元模型底部采用固結(jié)約束，以塔根頂面中心位置建立參考點(diǎn)，并把頂面所有節(jié)點(diǎn)(從屬節(jié)點(diǎn))與參考點(diǎn)(主節(jié)點(diǎn))之間進(jìn)行剛接；側(cè)面采用對(duì)稱約束，模型中共1 200 859個(gè)單元，267 163個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元模型如圖2所示，邊界條件如圖3所示，鋼錨梁尺寸及構(gòu)造如圖4所示。

圖2 有限元模型

圖3 有限元模型邊界條件

圖4 鋼錨梁幾何尺寸(單位：mm)

2 鋼錨梁空間復(fù)雜力學(xué)性能分析

為了得出鋼錨梁最不利受力狀態(tài)，建立了3種工況進(jìn)行分析，分別為考慮預(yù)應(yīng)力的線性分析、考慮預(yù)應(yīng)力的非線性分析、不考慮預(yù)應(yīng)力的非線性分析。

2.1 線性分析

考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋的作用，并使用線性分析計(jì)算方法，各接觸面采用共節(jié)點(diǎn)方式連接，牛腿頂板與鋼箱底板之間拉開0.5 mm間距，用來模擬連接單元，利用僅受壓彈性連接來模擬成橋階段牛腿頂板與錨梁底板之間的高強(qiáng)螺栓連接。整個(gè)工況共分為3個(gè)施工階段：成橋階段、運(yùn)營(yíng)階段、斷索階段。

成橋階段在對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束，橋塔混凝土底部采用固定約束。左側(cè)牛腿頂板與鋼箱底板設(shè)置僅受壓連接與邊緣部分焊接，右側(cè)牛腿頂板與鋼箱底板設(shè)置僅受壓連接。

運(yùn)營(yíng)階段施加運(yùn)營(yíng)索力，并將僅受壓一側(cè)邊緣焊接，利用彈性連接中的剛接單元進(jìn)行模擬。

斷索階段是為了考慮橋梁運(yùn)營(yíng)期間突發(fā)的一側(cè)斷索情況，采用在前面2個(gè)施工階段上鈍化一側(cè)索力來模擬。

2.2 非線性分析

為了考慮成橋階段采用高強(qiáng)螺栓連接牛腿頂板與鋼錨梁底板時(shí)的摩擦作用，采用一般接觸來模擬兩者之間作用，摩擦系數(shù)設(shè)為0.03，并且考慮預(yù)應(yīng)力的作用，進(jìn)行非線性分析。

2.3 力學(xué)性能分析

各工況應(yīng)力云圖如圖5、圖6所示(混凝土主壓應(yīng)力云圖以線性分析成橋階段工況為例)。

圖5 成橋階段混凝土主壓應(yīng)力線性分析結(jié)果(單位：MPa)

圖6 鋼錨梁等效應(yīng)力結(jié)果(單位：MPa)

由圖5可以看出，混凝土主壓應(yīng)力在牛腿頂板與錨梁底板、牛腿壁板三者角點(diǎn)處較大，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

由圖6可以看出，鋼錨梁腹板與鋼錨梁底板交界角點(diǎn)處、錨墊板角點(diǎn)處存在較大應(yīng)力，牛腿腹板與鋼錨梁焊接角點(diǎn)部位存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。對(duì)于塑性較好的材料，當(dāng)承受穩(wěn)定壓力或重復(fù)次數(shù)很少的荷載時(shí)，局部應(yīng)力對(duì)安全影響甚小，只要結(jié)構(gòu)大面積上的應(yīng)力仍處于彈性狀態(tài)，局部應(yīng)力過高就不會(huì)直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

各工況應(yīng)力結(jié)果如表4、表5所示。

表4 線性分析方法等效應(yīng)力最大值 MPa

表5 非線性分析方法等效應(yīng)力最大值 MPa

斷索工況下混凝土主壓應(yīng)力較大位置集中于未斷索一側(cè)牛腿頂板附近混凝土區(qū)域。分析原因?yàn)橛捎诹硪粋?cè)松開，失去水平方向力，導(dǎo)致未斷索一側(cè)水平力增大。

由表4、表5及圖7、圖8可知，在模擬出牛腿頂板與鋼錨梁底板之間的摩擦作用后，鋼錨梁等效應(yīng)力最大值為214 MPa，略大于線性分析的應(yīng)力結(jié)果176 MPa。應(yīng)力較大區(qū)域基本都位于相同區(qū)域即鋼錨梁的腹板與底板角點(diǎn)處。牛腿頂板最大應(yīng)力為203 MPa，與線性分析的應(yīng)力結(jié)果135 MPa相比，牛腿頂板最大應(yīng)力增大約50%。

圖7 鋼錨梁結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力對(duì)比

圖8 牛腿結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力對(duì)比

不考慮預(yù)應(yīng)力情況下在模擬出成橋階段牛腿頂板與鋼錨梁底板之間的摩擦后，鋼錨梁等效應(yīng)力最大值為180 MPa，與考慮預(yù)應(yīng)力非線性分析時(shí)鋼錨梁等效應(yīng)力最大值214 MPa相比，應(yīng)力值減小。應(yīng)力較大區(qū)域也都位于相同區(qū)域即錨梁腹板與錨梁底板焊接角點(diǎn)處。

3 結(jié)論

以某特大斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)索塔錨固區(qū)鋼錨梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多工況受力計(jì)算分析，得出以下結(jié)論。

(1)本文重點(diǎn)針對(duì)成橋階段牛腿頂板與鋼錨梁底板之間的摩擦作用對(duì)牛腿頂板應(yīng)力影響大小進(jìn)行分析，通過線性分析與非線性分析結(jié)果的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)考慮摩擦作用后牛腿頂板應(yīng)力增大了約50%。為保證結(jié)構(gòu)安全，在對(duì)鋼錨梁受力進(jìn)行分析時(shí)不可忽略牛腿頂板與鋼錨梁底板之間的摩擦作用。

(2)考慮預(yù)應(yīng)力作用的非線性分析得到的鋼錨梁結(jié)構(gòu)及牛腿結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力均大于不考慮預(yù)應(yīng)力作用的非線性分析得到的鋼錨梁結(jié)構(gòu)及牛腿結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力，牛腿頂板應(yīng)力增長(zhǎng)最為明顯，增大約36%。為保證結(jié)構(gòu)安全，在對(duì)錨固區(qū)計(jì)算分析時(shí)應(yīng)考慮預(yù)應(yīng)力的作用。

(3)通過對(duì)運(yùn)營(yíng)工況和斷索工況下分析結(jié)果的對(duì)比，斷索工況下混凝土的主壓應(yīng)力明顯增大，且牛腿頂板的應(yīng)力較運(yùn)營(yíng)工況增大約40%，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮不平衡索力的影響，加強(qiáng)焊縫設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)的安全性。

(4)在3種工況作用下，鋼錨梁腹板與底板焊接角點(diǎn)處、牛腿壁板與頂板及腹板焊接部位均存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，屬于受力薄弱部位，實(shí)際施工及運(yùn)營(yíng)過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)薄弱部位的檢測(cè)。