斜拉橋索梁錨固結構應力分析

鄢余文

0 引言

安慶長江大橋主橋為主跨 510m的雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋。鋼箱梁為扁平閉口流線形,索梁錨固為鋼箱式錨固結構。該結構錨箱處板件較多,連接復雜,索力較大,加上斜拉索索力對腹板會產生附加彎矩,通過理論分析和計算研究,該區域都難以準確反映其真實的應力分布情況。為此,對鋼箱梁與斜拉索的錨固結構進行了靜載試驗,以研究錨箱附近的應變和應力狀態。

1 試驗模型及試驗基本情況

試驗模型主要包括模擬主梁、模擬索塔及張拉鋼絞線三部分。模擬主梁采用了 4.75m的長度,錨箱箱體及與之連接的腹板采用了與實際結構一致的尺寸及連接方式,主梁頂、底板則加厚并向錨箱一側延伸,采用寬 1.2m、厚 0.05m的板件。模擬索塔采用箱形鋼結構構件,一方面模擬主梁的約束條件,另一方面作為加載的反力構件。張拉桿用于模擬斜拉索進行加載,加載通過安裝在模擬索塔張拉架上的 900 t級千斤頂進行。

該橋的最大設計索力為 460 t,由此確定試驗加載工況。進行3種工況加載:工況Ⅰ分級加載到最大設計索力;工況Ⅱ分級加載到1.7倍最大設計索力;工況Ⅲ分級加載到1.9倍最大設計索力。

2 試驗結果及其分析

2.1 應力分布分析

錨箱由頂板、底板、側板、承壓板、肋板構成。其中肋板不是主要受力構件,其應力較小,而承壓板受力簡單。此外,試驗主要關心的是錨箱結構在最大設計索力 460 t下的受力情況。因此只對工況Ⅰ實際 1.0倍最大設計索力下,錨箱頂板、底板、側板進行分析。根據試驗測得的應變,可算得錨箱板件各測點的主應力及其作用方向,見圖1～圖 4。

從圖1,圖2可以看出,錨箱頂、底板均以受壓為主,且受力呈現一定的規律性。主壓應力方向大致平行于板邊緣,即平行于張拉鋼絞線方向。而在垂直于該方向,錨箱頂、底板的受力相對較小。在錨箱頂、底板靠腹板側主壓應力中間小兩頭大。在另一側則相反,主壓應力呈現中間大兩頭小的規律。在頂、底板中間,主壓應力從其靠錨箱承壓板端向另一端遞減。由此表明,錨箱結構為偏心受壓狀態,使得頂、底板存在受扭現象。錨箱頂、底板在其自由端靠腹板側應力較大,而且對于頂板,在此處另一方向還存在較大的主拉應力。

從圖3,圖 4可以看出,錨箱內、外側板的兩側以受壓為主,其主壓應力方向大致平行于張拉鋼絞線方向。而在垂直于該方向,內、外側板的受力相對較小。錨箱內、外側板在中間靠槽口處以受拉為主,主拉應力方向垂直于張拉鋼絞線方向。而在另一端,外側板仍以受拉為主,內側板則以受壓為主。錨箱內、外側板的最大主壓應力均發生在其靠錨箱承壓板端,并由此向另一端遞減。

2.2 應力發展進程分析

為了研究應力隨加載的變化進程,在工況Ⅱ下,進行 14級加載。即采用分級加載從1級 0.2倍最大設計索力到 14級 1.7倍最大設計索力。取錨箱內、外側板部分測點,根據其各級加載所得主應力,計算得各級加載等效應力,見圖 5。

從圖 5中可以看出,荷載與應力呈線性關系。表明在 1.7倍最大設計索力,即 782 t索力范圍內,錨箱內、外側板均未屈服,結構受力呈線性狀態。

3 三維有限元仿真分析

本次試驗模型的有限元計算,采用的是大型通用程序 ANSYS。計算模型主要采用空間板殼單元Shell43建立,在錨箱承壓板和索塔上斜拉索錨固承壓板處,采用了接觸單元 Targe170和Conta174。由于模型中的斜拉索只是起加載作用,因此計算時采用兩錨固處的等效分布荷載代替。

從圖 6中可以看出,錨箱頂、底板在其自由端靠腹板側主應力較大,且應力沿斜拉索方向逐漸減小,到達承壓板附近又迅速增大,最大壓應力處達到 248MPa,等效應力為224MPa。錨箱內、外側板在其靠錨箱承壓板端應力最大,且應力向自由端方向逐漸減小。錨箱以受壓力為主。錨箱加勁肋板應力較小。

4 試驗實測值與有限元計算值比較

根據主應力,可算得測點實測等效應力值,并把該等效應力值與有限元計算的等效應力進行比較,見表1,表2。

表1 460t索力作用下錨箱頂、底板部分測點實測應力與計算應力比較 MPa

表2 460t索力作用下錨箱內、外側板部分測點實測應力與計算應力比較 MPa

從表1,表2等效應力實測值與計算值的比較中可以看出,大部分測點的試驗實測值和有限元計算值很接近。證明試驗結果符合力學規律,是可信的。同時,也證明采用三維有限元分析的索梁錨固結構應力基本能夠反映實際應力分布規律。

5 結語

錨箱頂板、底板、側板均以受壓為主,主壓應力方向大致平行于張拉鋼絞線方向,而在垂直于該方向的受力相對較小。錨箱頂、底板最大主壓應力均在靠腹板側近主梁端,而側板的最大主壓應力值均在靠錨箱承壓板端,并由此向另一端遞減。在錨箱頂、底板靠腹板側主壓應力中間小兩頭大;在另一側則相反,主壓應力呈現中間大兩頭小的規律;在中間主壓應力從錨箱承壓板端向另一端遞減。在 782 t索力范圍內,錨箱結構受力呈線性狀態。

有限元計算應力值與實測應力值吻合較好,證明試驗結果可信,而且三維有限元方法可以用于估算實際索梁錨固結構的應力分布。

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