拱橋吊桿耳板式錨固構造與應力

李忠忠

0 引言

吊桿錨固區結構復雜，應力集中，是控制設計的關鍵部位之一。在現代鋼拱橋中，吊桿與拱肋的錨固形式主要采用錨箱式，即將吊桿固定在拱肋箱體內部。錨箱連接受力明確，但吊桿施工較為繁瑣，當橋梁為異形結構時，該問題尤為突出。嘉定平城路橫瀝河橋為了解決異形結構吊桿施工的難題，吊桿與拱肋的錨固形式采用耳板式，即將吊桿錨固于拱肋外部。

耳板式錨固結構由吊桿錨頭、銷軸、錨固耳板等組成，傳力途徑為吊桿→銷軸→錨固耳板→拱肋腹板→拱肋，銷軸與耳板通過承壓傳力。本文概述橫瀝河橋耳板錨固構造，并對耳板銷孔處接觸應力進行分析。

1 橫瀝河橋設計概況

主橋為下承式斜跨單榀鋼拱橋，拱梁分離，主拱固結于拱座，主梁及人行橋通過支座支承于主墩。主梁跨徑89 m，橋寬25 m，拱梁之間設置吊桿聯系，主橋立面如圖1所示。

圖1 橫瀝河主橋立面布置圖（單位：m）

主拱拱軸線采用二次拋物線，跨徑76 m，矢高38 m。主拱采用箱形截面鋼拱，截面尺寸由拱腳向拱頂一次線性變化，拱腳截面尺寸為 3．2 m ×2．8 m，拱頂截面尺寸為 4．5 m ×1．5 m。

吊桿在主拱上錨固間距為2 m(拱軸線曲線長度)，在吊桿錨固處設置兩道橫隔板，間距600 mm，板厚20 mm，橫隔板與吊桿平行布置。

主拱設置錨拉板與吊桿錨具耳板通過銷子連接。錨拉板由兩塊不同厚度、不同寬度鋼板焊接形成，分別為耳板和錨板。耳板厚度及寬度與吊桿錨具型號匹配，錨板厚度根據受力決定，寬度為600 mm。錨板與主拱橫隔板焊接，主梁吊桿處錨板夾在兩塊橫隔板之間，形成工字形構件。錨固立面及橫斷面如圖2，圖3所示。

圖2 拱肋錨固立面圖

圖3 拱肋錨固橫斷面圖

2 錨固構造設計

吊桿采用建筑工程用熱鑄錨吊桿，鋼絲采用φ5 mm雙層鍍鋅高強鋼絲，鋼絲強度等級為1 670 MPa。吊桿共采用4種型號的鋼絲編束根數，分別是 5-55，5-61，5-73，5-85。吊桿上端為固定端，采用RM-Ⅲ型錨具與主拱耳板連接，下端為張拉端，采用RMV型錨具與錨箱連接。

以5-85型號吊桿為例，拱肋上對應耳板采用Q500D高強度結構鋼，耳板厚53 mm;錨板采用Q345qD鋼材，錨板厚30 mm。耳板外形按照1∶4漸變，并與錨板焊接。銷軸直徑61 mm，耳板開孔直徑61．5 mm。錨固構造如圖4所示。

3 彈性力學理論計算結果

根據赫茲(H．Hertz)證明的理論，橢圓接觸面上最大壓應力P0可按下式計算:

圖4 錨固構造圖

其中，a，b分別為橢圓的長、短半軸，且有:

對于兩圓柱體接觸面上最大壓應力的計算，實際上就是接觸面橢圓的長半軸a→∞，短半軸b為有限的特殊情況，表明接觸面變成一個寬度為2b的無限長條帶，此時由式(1)可推出如下公式:

對于均質鋼材 E=E1=E2，γ1= γ2=0．3。

將R1取負值，即半徑R2圓柱體放置在半徑R1圓柱體內的情況，則式(2)有:

其中，P為沿柱體軸線方向單位長度上的外壓力。

平城路橫瀝河橋耳板開孔直徑 D1=61．5 mm，厚度 t=53 mm，銷軸直徑D2=61 mm，設計索力F=950 kN，彈性模量E=2．06×105MPa，P=F/t=1．792 ×107N/m。將這些數據代入式(3)計算可得耳板最大壓應力P0=414．7 MPa。

4 有限元計算結果

結構計算采用Midas/Civil 2010，模型采用板單元進行模擬，荷載加載范圍為1/4圓周范圍，荷載分布按余弦曲線變化，模型加載如圖5所示。

在上述荷載作用下，耳板的Mises應力如圖6所示。最大Mises應力為451 MPa(圓弧接觸切點)，這與理論計算結果比較接近。

圖5 模型加載示意圖（單位：kN/mm）

圖6 耳板Mises應力（單位：MPa）

本工程有限元計算荷載加載模式根據JTJ 025-86公路橋涵鋼結構及木結構設計規范第1．2．5條條文說明:“緊密接觸的承壓應力，以往采用軸向容許應力的0．75倍，這是基于樞軸上下接觸面彎曲密貼的假定推導出來的。要達到完全密貼是不可能的，實際上只能在圓周1/4的范圍內密合，如假定應力按余弦曲線變化”。

5 結語

1)嘉定平城路橫瀝河橋耳板式錨固結構中，耳板最大Mises應力為451 MPa，承載能力滿足要求。

2)有限元計算和彈性力學計算結果比較接近，實際設計中可用該公式在前期設計中做粗略估算。

3)耳板式錨固結構中，銷孔處局部應力非常大，但應力擴散較快，隨著遠離應力集中區，應力趨于均勻并降至較低水平。實際設計中，耳板需采用高強度結構鋼，其余板件可采用一般鋼材。

［1］ 嚴國敏．現代斜拉橋［M］．成都:西南交通大學出版社，1996．

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