大跨徑斜拉橋索梁錨固區(qū)鋼錨箱受力分析與設(shè)計方法研究

呂 凱

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司, 江蘇 南京 210000）

0 引言

對已建成大跨徑斜拉橋的不完全統(tǒng)計顯示，世界上跨徑排名前10的斜拉橋中有7座在中國[1]。為了減輕自重、提高跨越能力，大跨斜拉橋的主跨通常采用鋼主梁或鋼混疊合梁，邊跨除了可以采用與主跨相同主梁形式外，也可采用自重較大的混凝土梁以減小邊跨跨徑。不同于混凝土主梁可以設(shè)置錨固斜拉索的齒塊，鋼主梁需要設(shè)置專門的索梁連接結(jié)構(gòu)以保證拉索與主梁間傳力順暢。

常見的鋼主梁索梁傳力結(jié)構(gòu)包括錨箱、錨拉板、耳板以及錨管4種。李小珍等[2]對這4種傳力結(jié)構(gòu)的構(gòu)造與受力進(jìn)行了對比研究，發(fā)現(xiàn)無論哪種結(jié)構(gòu)形式在索力的作用下均會發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，但只要采用合理的構(gòu)造與板厚，依然能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計要求的傳力功能。張清華等[3]對蘇通大橋鋼錨箱進(jìn)行了試驗(yàn)研究，明確了索力在鋼錨箱中的傳遞路徑及整個錨箱的受力模式。

錨箱通常設(shè)置在主梁邊腹板外側(cè)，當(dāng)雙邊箱斜拉橋主梁拉索外側(cè)設(shè)有較寬的非機(jī)動車道時，也可設(shè)置于箱內(nèi)。無論錨箱位于何處，其主要傳力結(jié)構(gòu)均為垂直于主梁腹板設(shè)置的兩塊平行板件(錨箱頂、底板)，索力主要通過錨箱頂、底與腹板間的焊縫進(jìn)行內(nèi)力傳遞。為了使索力傳遞平順，以上兩塊平行板件還要輔以適當(dāng)?shù)募觿爬咭约拜^厚的承壓板，進(jìn)而形成一個單面開口的箱型結(jié)構(gòu)，也就是錨箱?；谝陨戏治隹梢园l(fā)現(xiàn)，錨箱內(nèi)力主要傳遞路徑為：錨箱承壓板→錨箱頂、底板→主梁腹板。

該文基于某雙塔五跨鋼混疊合梁斜拉橋鋼錨箱的設(shè)計過程，對索梁錨箱的受力特點(diǎn)和設(shè)計方法進(jìn)行研究和總結(jié)，供從事設(shè)計工作的同行參考。

1 計算模型

某雙塔五跨鋼混疊合梁斜拉橋，主跨為530 m鋼—混疊合梁，邊跨為總長188 m的混凝土梁，跨內(nèi)設(shè)輔助墩，鋼混接頭位于中跨橋塔附近。橋塔為寶石形，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，水平方向配置環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束，放置主梁的下橫梁以上橋塔全高159.4 m。拉索采用扇形布置，橋塔自上而下索距為2.5 m、2.75 m和3 m，采用鋼牛腿+鋼錨梁的錨固形式；中跨主梁索距10.5 m，采用腹板外側(cè)設(shè)鋼錨箱的錨固形式；邊跨主梁拉索距7.2 m，拉索穿過外腹板錨固在混凝土梁底部的齒塊上。

采用通用有限元軟件ANSYS建立主跨局部鋼梁及錨箱的有限元模型（如圖1），為消除圣維南效應(yīng)的影響，鋼梁建模范圍為錨箱前、后、橫向6 m范圍；鋼板采用SHELL63單元模擬；約束近橋塔側(cè)鋼梁邊緣的縱橋向和豎向自由度，約束遠(yuǎn)橋塔側(cè)鋼梁邊緣的豎向自由度以及橫向鋼梁邊緣的橫向自由度。

圖1 錨箱有限元模型

由總體計算結(jié)果可知（見表1），主跨跨中M1錨箱索力最大，靠近橋塔的M4錨箱索力最小，分別為9 103 kN和4 324 kN。以M1、M4鋼錨箱作為典型對象進(jìn)行建模分析[4]，索力施加在鋼錨箱錨環(huán)范圍內(nèi)。

表1 錨箱相關(guān)板件厚度 /mm

2 結(jié)果分析

承壓板、墊板等效板上的應(yīng)力分布如圖2所示，承壓板應(yīng)力水平較低，除M4錨箱局部有最大值116.7 MPa的應(yīng)力集中外，大部分區(qū)域應(yīng)力在70 MPa以下?？梢娫趬|板和承壓板具有足夠抗彎剛度且合理設(shè)置加勁肋的情況下，斜拉索錨下荷載可以順利傳遞至錨箱頂、底板與加勁肋組成的框架上，不會在錨墊板上產(chǎn)生過大的彎曲應(yīng)力。

圖2 承壓板Mises應(yīng)力（單位：kPa）

鋼錨箱內(nèi)外加勁板應(yīng)力分布如圖3所示。鋼錨箱外側(cè)加勁板應(yīng)力高于內(nèi)側(cè)，在加勁板與承壓板相交的外邊沿以及M1錨箱的手孔處有一定應(yīng)力集中，最大值194 MPa。其他區(qū)域應(yīng)力水平較低且距錨固板較遠(yuǎn)的位置應(yīng)力很小，可以適當(dāng)減小腹板及加勁肋的長度。

圖3 腹板、加勁肋M(jìn)ises應(yīng)力（單位：kPa）

根據(jù)錨箱頂、底板的應(yīng)力分布圖，頂、低板前端與主梁腹板接觸位置產(chǎn)生了數(shù)值較大的應(yīng)力集中，最大值遠(yuǎn)超鋼材設(shè)計強(qiáng)度，達(dá)到635 MPa。無論采用哪種錨固體系都不能避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。試驗(yàn)研究表明，板件小范圍應(yīng)力超過材料屈服強(qiáng)度不會對結(jié)構(gòu)的受力安全性造成影響。通過將應(yīng)力云圖的顯示范圍設(shè)置在150 MPa以下后發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力集中范圍很小，大部分區(qū)域的應(yīng)力水平不超過150 MPa。實(shí)際中可以通過小范圍的塑性變形來釋放該位置的應(yīng)力，不會擴(kuò)散對結(jié)構(gòu)整體造成影響。通過計算同時可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力集中位置上方區(qū)域應(yīng)力水平較低，實(shí)際設(shè)計中可以增大該位置的倒角尺寸。

根據(jù)主梁腹板應(yīng)力分布圖（圖4），主梁腹板應(yīng)力水平總體較低，僅在錨箱頂板、承壓板與腹板相交的小范圍內(nèi)有應(yīng)力集中發(fā)生，最大值249.0 MPa。通過進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，兩處應(yīng)力集中均發(fā)生在板件末端剛度突變的位置，腹板內(nèi)側(cè)均設(shè)置了豎向加勁肋。

圖4 主梁腹板 Mises應(yīng)力分布（單位：kPa）

根據(jù)主梁內(nèi)豎向加勁板的應(yīng)力分布圖，加勁板與頂板及腹板相交位置的應(yīng)力水平較高，實(shí)際中通過焊孔釋放該位置的應(yīng)力。

通過以上分析可知，采用設(shè)計板厚時鋼錨箱及鄰近主梁區(qū)域各板件受力狀況良好，僅腹板局部存在小范圍的應(yīng)力集中，均未超過材料的設(shè)計強(qiáng)度。

3 結(jié)論

承壓板將索力傳遞至錨箱頂、底板，自身則承受錨下彎曲應(yīng)力的作用；鋼錨箱頂、底板遠(yuǎn)塔端受到承壓板傳來的壓力，再通過與主梁腹板相接的焊縫將壓力傳遞至主梁上。錨箱加勁肋與頂、底板組成框架體系，有助于減小承壓上的彎曲應(yīng)力；錨箱腹板及加勁肋承受部分拉索壓力，而后通過縱向焊縫傳遞至錨箱頂、底板上，能夠降低頂、底板與承壓板接觸區(qū)域的應(yīng)力水平；合理地設(shè)置錨箱腹板及加勁板可以提高錨箱整體性及剛度，防止錨箱在索力作用下發(fā)生不利于受力的變形。