公鐵兩用斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力分析

郭忠義， 蒲黔輝， 李勝玉， 陳良軍

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

索梁錨固結(jié)構(gòu)是一個(gè)非常重要的傳力構(gòu)件，需要將斜拉索巨大的索力進(jìn)行順暢可靠地傳遞，避免過大應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)[1]。斜拉橋的索梁錨固形式主要有錨箱式、耳板式(銷鉸式)、錨管式、錨拉板式、散索鞍座加錨固梁式和支架式6種[2]。對(duì)于大跨度公鐵兩用鋼箱梁斜拉橋，鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)是一種常采用的錨固形式。上海長江大橋、南京長江大橋南汊橋、蘇通長江大橋等多座大跨度斜拉橋均采用了鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)[3-9]。該結(jié)構(gòu)由多個(gè)關(guān)鍵受力板件焊接而成，多個(gè)板件協(xié)同受力，實(shí)現(xiàn)索力的分散傳遞。錨箱內(nèi)部板件和焊縫均較多，在強(qiáng)大的荷載作用下，受力復(fù)雜，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中[4,10-11]。

目前，一些研究人員針對(duì)鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)研究，分析其受力狀態(tài)，探明其傳力機(jī)理。但是，對(duì)公鐵兩用橋梁鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)的研究相對(duì)較少，鋼錨箱內(nèi)各板件應(yīng)力集中的問題也沒有得到很好解決。因此，該文運(yùn)用有限元方法建立索梁錨固區(qū)的實(shí)體模型，對(duì)其進(jìn)行分析，以明確鋼錨箱的受力狀態(tài)及應(yīng)力分布情況，避免應(yīng)力集中，并為錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究提供相關(guān)依據(jù)。

1 工程概況

某特大橋?yàn)樘舯垆撓淞盒崩瓨?，全?個(gè)橋塔，跨徑布置為(58.5+116+3×340+116+58.5) m，主橋全長1 371.8 m。橋梁橫向中部為鋼箱梁，兩側(cè)為鋼挑臂梁。公路和鐵路同層布置，鐵路布置在橋面中央，公路布置在橋面兩側(cè)，公路荷載依靠鋼挑臂梁來承受。主橋采用剛構(gòu)連續(xù)體系，即中塔塔梁墩固結(jié)，邊塔塔梁固結(jié)，塔墩分離。斜拉索采用LPES7-199～LPES7-379型Ⅱ級(jí)松弛平行鋼絲拉索，橋塔每側(cè)各設(shè)13對(duì)斜拉索，全橋共設(shè)104對(duì)。斜拉索通過鋼錨箱錨固在鋼梁上。主梁和鋼錨箱均采用Q345qD鋼。

該橋鋼錨箱結(jié)構(gòu)位于主梁中間鋼箱梁兩側(cè)的兩個(gè)邊箱內(nèi)，主要由錨墊板(N1)、封端板(N2)、上下兩塊支承板(N3)、封頂板(N4)和4塊加勁板(N5)構(gòu)成，每個(gè)鋼錨箱通過封端板、支承板和封頂板兩側(cè)與主梁腹板焊接在一起，如圖1所示。斜拉索錨固在錨墊板上。由相關(guān)研究可知，索力傳遞到錨墊板上，再通過鋼錨箱的各個(gè)主要受力板件將索力傳遞給主梁[12-13]。

圖1 鋼錨箱構(gòu)造圖

2 有限元模型

在恒載、活載和附加力共同作用下，E13號(hào)斜拉索索力最大。選取E13斜拉索處索梁錨固結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，該處斜拉索最大索力為9 848 kN。采用通用有限元軟件Ansys建立E13斜拉索所在鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)局部模型。考慮到計(jì)算的精度要求和條件限制，對(duì)鋼錨箱局部模型的大小進(jìn)行分析并確定一個(gè)合理模型。取該處鋼錨箱所在區(qū)域邊箱的一個(gè)梁段建立模型，并對(duì)兩側(cè)邊箱梁截面的節(jié)點(diǎn)施加固結(jié)約束模擬。模型錨墊板N1采用實(shí)體單元Solid45模擬，除錨墊板以外的其他板件均采用Shell181單元模擬。采用四邊形網(wǎng)格和自由劃分網(wǎng)格對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并對(duì)鋼錨箱主要板件的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。將E13斜拉索最大索力9 848 kN作為計(jì)算荷載，并將其轉(zhuǎn)化為壓力形式作用于錨墊板承壓面上。有限元模型鋼錨箱內(nèi)部如圖2所示。

圖2 鋼錨箱有限元模型局部

3 板件應(yīng)力分析

鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)相關(guān)的試驗(yàn)與理論研究表明，該結(jié)構(gòu)各主要受力構(gòu)件均存在不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象[1]。該文研究的鋼錨箱結(jié)構(gòu)通過支承板、封端板和封板兩側(cè)的焊縫與主梁腹板連接，從而實(shí)現(xiàn)索力傳遞。相對(duì)一般的鋼錨箱結(jié)構(gòu)，該鋼錨箱結(jié)構(gòu)的板件尺寸也較大。各個(gè)主要受力板件的應(yīng)力分布情況不明確，結(jié)構(gòu)中易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，對(duì)雙側(cè)焊縫式鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)主要受力板件應(yīng)力分布進(jìn)行分析研究，以保證結(jié)構(gòu)的安全可靠，并分析該結(jié)構(gòu)的受力性能。

圖3、4為上、下支承板N3的Von Mises等效應(yīng)力分布圖。由應(yīng)力分布圖可以看出：上、下支承板的最大Von Mises等效應(yīng)力分別為198、188 MPa，且上、下支承板的應(yīng)力分布情況類似。支承板與封端板中部焊接位置應(yīng)力較大，由此處向斜拉索方向和兩側(cè)焊縫方向，應(yīng)力逐漸減小，沿索力方向應(yīng)力分布近似對(duì)稱。板內(nèi)中部大部分區(qū)域Von Mises等效應(yīng)力較小。上、下支承板在支承板與封端板焊接中部位置存在局部應(yīng)力集中，主要是由于此處直接承受錨墊板經(jīng)過封端板傳來的壓力。另外，上、下支承板在支承板上端圓弧段角點(diǎn)處也存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。這是由于斜拉索、鋼錨箱結(jié)構(gòu)與主梁順橋向有一定的角度，在索力作用下，角點(diǎn)位置處受力作用較大。

圖3 上支承板應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖4 下支承板應(yīng)力云圖(單位：Pa)

封端板的Von Mises等效應(yīng)力分布如圖5所示。封端板中部受力較大，兩端受力較小，應(yīng)力由中部向兩端擴(kuò)散，一部分應(yīng)力也由封端板傳遞給支承板和加勁板。板件最大Von Mises等效應(yīng)力為159 MPa。上、下支承板與封端板焊縫處、中間兩個(gè)加勁板與封端板焊縫處和圓孔邊緣處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，中間兩個(gè)加勁板與封端板焊縫處的應(yīng)力集中最明顯。中間矩形區(qū)域構(gòu)成一個(gè)高應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力由此處向兩端逐漸減小。中部高應(yīng)力區(qū)和應(yīng)力集中主要是由于中部區(qū)域后面與錨墊板連接，直接承受由錨墊板傳遞來的索力。在板與板連接的焊縫位置處，結(jié)構(gòu)剛度變化，同時(shí)受到板件間焊接影響，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中。從封端板的Von Mises等效應(yīng)力圖可以看出：封端板的應(yīng)力分布還具有一定的對(duì)稱性。

內(nèi)腹板的Von Mises等效應(yīng)力分布如圖6所示。上、下支承板與內(nèi)腹板焊縫中間的區(qū)域應(yīng)力很小，焊縫外側(cè)局部區(qū)域應(yīng)力也較小。上、下支承板與內(nèi)腹板焊縫頂端處局部應(yīng)力很大，其中上支承板與內(nèi)腹板焊縫頂端處的應(yīng)力相對(duì)下支承板與內(nèi)腹板焊縫頂端處的應(yīng)力更大，內(nèi)腹板最大Von Mises等效應(yīng)力達(dá)到143 MPa。內(nèi)腹板和支承板的應(yīng)力集中區(qū)域相對(duì)應(yīng)，內(nèi)腹板上兩個(gè)應(yīng)力集中區(qū)域分別與支承板上端圓弧端對(duì)應(yīng)。在支承板頂端處雖然采用了圓弧段來進(jìn)行過渡，以減小板件間連接處剛度變化等對(duì)受力帶來的影響，但在該端部還是產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。造成此區(qū)域高應(yīng)力狀態(tài)是由于局部的剛度變化，再加上在強(qiáng)大的索力作用下，支撐板N3與腹板之間在焊縫頂端處的擠壓作用，使索力在由支承板傳遞到內(nèi)腹板時(shí)，在局部產(chǎn)生應(yīng)力集中。上支撐板與內(nèi)腹板焊縫頂端處的應(yīng)力相對(duì)更大則是由于鋼錨箱結(jié)構(gòu)的傾角帶來的影響。

圖5 封端板N2應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖6 內(nèi)腹板應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖7為外腹板的Von Mises等效應(yīng)力分布圖。相對(duì)內(nèi)腹板的Von Mises等效應(yīng)力而言，外腹板的應(yīng)力相對(duì)較小。外腹板的最大Von Mises等效應(yīng)力為110 MPa，比內(nèi)腹板的最大Von Mises等效應(yīng)力小33 MPa。外腹板上也存在局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，發(fā)生應(yīng)力集中的位置與內(nèi)腹板類似。但是外腹板除在支承板N3頂端圓弧段與外腹板焊接處有應(yīng)力集中外，支承板、封頂板與外腹板3個(gè)板件焊縫交接處，上支承板與外腹板焊縫底端處也有應(yīng)力集中。這主要是因?yàn)殇撳^箱結(jié)構(gòu)與主梁之間有一定的角度，在強(qiáng)大索力作用下，支承板在傳遞索力時(shí)，支承板與外腹板之間產(chǎn)生不同程度的擠壓。另外，多塊板件連接處，板件間相互作用和焊接的影響也使局部受力更復(fù)雜。支承板、封端板、封頂板與外腹板的各個(gè)焊接位置附近的Von Mises等效應(yīng)力較其他區(qū)域的應(yīng)力更大。

圖7 外腹板應(yīng)力云圖(單位：Pa)

對(duì)于加勁板，中間兩塊加勁板受力相對(duì)較大，最大Von Mises等效應(yīng)力為187 MPa，發(fā)生在加勁板與封端板連接位置處，最外側(cè)兩塊加勁板則受力很小。封頂板則在中間圓孔邊緣位置有局部應(yīng)力集中，板件其他區(qū)域應(yīng)力較小。錨墊板板件相對(duì)較厚，直接承受斜拉索傳來的索力作用，在圓孔附近區(qū)域應(yīng)力較大，圓孔邊緣處有局部應(yīng)力集中，板件最大Von Mises等效應(yīng)力為208 MPa。

從雙側(cè)焊縫式鋼錨箱結(jié)構(gòu)各個(gè)主要板件的應(yīng)力分布可以看出：作用在錨墊板上的索力通過封端板直接傳遞到支承板和中間兩塊加勁板上，再通過支承板和內(nèi)外腹板之間的焊縫，將索力傳遞到主梁上。整個(gè)結(jié)構(gòu)各個(gè)主要板件受力較為均勻，傳力明確，錨墊板、支承板、封端板為主要受力板件。但與以往對(duì)鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果類似，雙側(cè)焊縫式鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)的各個(gè)主要板件均存在不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集中發(fā)生在支承板與腹板、封端板間焊縫處和支承板的圓弧過渡段，這些位置為鋼錨箱結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞的關(guān)鍵位置。除應(yīng)力集中區(qū)域外，鋼錨箱結(jié)構(gòu)各個(gè)主要板件應(yīng)力基本在80 MPa以下。

4 結(jié)論

通過對(duì)某特大橋鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，得到以下結(jié)論：

(1) 在斜拉索索力作用下，鋼錨箱結(jié)構(gòu)各個(gè)板件應(yīng)力分布較為均勻，結(jié)構(gòu)在內(nèi)外腹板兩側(cè)的應(yīng)力差別不大。鋼錨箱各個(gè)板件構(gòu)成受力體系，實(shí)現(xiàn)索力由斜拉索傳遞到錨墊板，再通過封端板，支承板等板件傳遞到主梁。

(2) 鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)中錨墊板、封端板和支承板受力較大，加勁板和封頂板受力相對(duì)較小，錨墊板N1、封端板N2和上下兩塊支承板N3為鋼錨箱的主要受力板件。

(3) 雙側(cè)焊縫式鋼錨箱結(jié)構(gòu)各個(gè)主要板件均存在不同程度的應(yīng)力集中，發(fā)生應(yīng)力集中的部位主要是上下支承板、中間兩塊加勁板、封端板之間的焊縫處，支承板與內(nèi)外腹板焊縫端部處和孔道邊緣處。這些位置都是鋼錨箱結(jié)構(gòu)可能發(fā)生疲勞破壞的敏感部位，可在設(shè)計(jì)中做相應(yīng)調(diào)整，施工時(shí)也應(yīng)保證焊縫的質(zhì)量。

(4) 在保證焊縫質(zhì)量的前提下，各板件在焊縫位置處發(fā)生應(yīng)力集中主要是因?yàn)樵趶?qiáng)大索力作用下，板件之間剛度變化和板件間相互擠壓的影響使板件局部變形和應(yīng)力較大。多塊板件連接處受力復(fù)雜，應(yīng)力較大，加上焊接質(zhì)量的影響，也更易發(fā)生應(yīng)力集中。