錨箱式鋼橋塔錨固區(qū)力學性能研究

李 丹蘇慶田，*吳 沖孫旭霞

（1.同濟大學橋梁工程系，上海200092；2.同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海200092）

錨箱式鋼橋塔錨固區(qū)力學性能研究

李 丹1蘇慶田1，*吳 沖1孫旭霞2

（1.同濟大學橋梁工程系，上海200092；2.同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海200092）

斜拉橋鋼塔錨固區(qū)是連接斜拉索和橋塔的關鍵部位，該部位采用鋼錨箱結構可以把巨大的斜拉索索力有效傳遞到橋塔中。以范蠡大橋為背景，建立錨箱式鋼索塔錨固區(qū)空間板殼有限元模型，并對其進行分析研究。結果表明，錨固區(qū)內(nèi)板件應力分布不均勻，承壓板與中隔板的結合處應力集中程度高，但高應力水平區(qū)域范圍較小，應力擴散較快；斜拉索錨箱和水平拉索錨箱承擔的索力比例在相同錨箱長度比例位置較為接近。

鋼錨箱，索塔錨固區(qū)，力學性能，有限元分析

1 引 言

斜拉橋是由斜拉索、橋塔和主梁三部分組成的。橋面承受的荷載直接作用在主梁上，經(jīng)斜拉索傳遞到索塔，再由索塔傳遞到基礎上。連接斜拉索和橋塔的錨固區(qū)是斜拉橋中的關鍵部位，它是實現(xiàn)斜拉索索力傳遞到索塔中的重要構件。大多數(shù)斜拉橋的橋塔一般是平面型結構，橋塔主要以承受軸向力為主，這種橋塔多采用混凝土結構［1］。而對于一些特殊的斜拉橋當其橋塔采用空間結構后，索塔塔柱除了承受軸力作用外，還承受彎矩作用，這種空間型索塔多采用鋼結構［2］。對于大跨度斜拉橋混凝土索塔錨固區(qū)結構形式有預應力結構、鋼錨箱結構、鋼錨梁結構、鋼套管結構等［4］，國內(nèi)外許多學者對這些結構的受力特點進行了理論和試驗研究［5］，得到了許多有意義的結論，并成功應用于實際工程中。而鋼橋塔斜拉橋的工程實例較少，特別是在鋼橋塔中采用鋼錨箱式的錨固區(qū)結構的斜拉橋還不多，對于鋼錨箱式鋼橋塔錨固區(qū)的受力性能研究還未見報道。由于錨箱式鋼橋塔錨固區(qū)中板件數(shù)量多、空間交錯布置、結構構造十分復雜，同時該部位受到巨大的斜拉索索力作用，索力在該部位的傳遞途徑如何值得仔細研究。本文以一具體的錨箱式鋼橋塔斜拉橋為背景，對其錨固區(qū)結構進行力學性能研究，分析其受力特點，得到的結論可為類似工程參考。

2 工程背景

背景工程范蠡大橋是一座全鋼結構三塔單索面斜拉橋，跨徑布置為（96＋188＋188＋96）m，如圖1所示。該橋橋塔為燈籠形，由4根塔柱構成，如圖2所示。塔柱為鋼結構八邊形截面，4根塔柱之間采用上、中、下三組橫撐相連。范蠡大橋索塔錨固區(qū)采用錨箱式構造，斜拉索通過鋼錨箱錨固在與橋梁縱向平行平面的2個塔柱上，縱向的2個塔柱通過水平拉索連接，水平拉索與塔柱通過水平的鋼錨箱連接，如圖2所示。每個索塔的一個塔柱中有18個斜拉索錨箱和18個錨箱，同一高度處的斜拉索錨箱和水平拉索錨箱各有2個，2個錨箱對稱布置在塔柱的豎向中隔板上。鋼錨箱由1塊承壓板、2塊支承板、2塊內(nèi)部加勁板和6塊外部加勁板組成。錨箱的承壓板及兩塊支承板與中隔板通過焊接連接。塔柱內(nèi)所有錨箱的板件厚度為承壓板30 mm，支承板30 mm，加勁板26 mm，中隔板36 mm。

圖1 范蠡大橋總體布置圖（單位：m）Fig.1 General layout of the Fanli Bridge（Unit：m）

圖2 范蠡大橋橋塔構造圖及錨箱構造圖（單位：mm）Fig.2 Structural diagram of the pylon and the anchoring box（Unit：mm）

3 計算模型

為了分析鋼索塔錨固區(qū)力學性能，采用大型通用有限元程序ANSYS建立空間斜拉橋中間一個完整橋塔的板殼有限元模型，如圖3（a）所示，詳細模擬塔柱和錨固區(qū)各個板件，如圖3（b）所示。模型采用SHELL63單元模擬塔柱及錨固區(qū)所有鋼板。

模型中鋼材彈性模量取2.1×108kN／m2，容重取78.5 kN／m3。

荷載取最不利荷載組合進行驗算，單根拉索索力見表1。表中，錨箱編號1～9分別是塔柱中從上到下的9個錨箱編號。

將斜拉索與平行索的索力以面荷載的形式施加于錨箱承壓板上。考慮錨箱錨墊板對應力的擴散作用，荷載作用于承壓板圓環(huán)面積上。邊界條件是將塔柱底部固結。

圖3 結構模型示意圖Fig.3 FEModel of the structure

表1 最不利荷載組合索力Table 1Themost harm ful cable force kN

4 計算結果

4.1 鋼錨箱的應力

通過有限元模型計算分析，得到整體索塔和錨固區(qū)板件的詳細受力情況。由于整個橋塔的18個斜拉索錨箱和18個平行索錨箱的受力相對均勻，限于篇幅這里選取斜拉索錨箱2進行板件受力特性分析。

圖4為從不同角度觀察的斜拉索錨固區(qū)Mises應力分布圖。從圖中可以看出，拉索錨固區(qū)附近鋼板的應力明顯高于塔柱壁板上鋼板的應力，錨固區(qū)附近承壓板、支承板的應力比其他部位的大，最大應力出現(xiàn)在承壓板與中隔板相交處，最大Mises應力約為260 MPa，其他部位板件的Mises應力大部分在120 MPa以下。

圖5為斜拉索錨箱承壓板上下表面的應力分布圖。從圖5（a），（b）中可以看出，承壓板Mises應力分布很不均勻，上表面的應力比下表面的大，與中隔板相交處上表面Mises應力大多在200～260 MPa范圍，而下表面該位置的Mises應力大多在120～200 MPa范圍。此外，承壓板在上下支承板及內(nèi)部加勁板之間的應力大多在60～140 MPa范圍，承壓板在上下支承板及內(nèi)部加勁板以外范圍的應力較小，大多在50 MPa以下。

從圖5（c），（d）中可以看出，承壓板橫向以中隔板和內(nèi)部加勁板為支承發(fā)生局部彎曲，使得橫應力分布很不均勻，在支承位置上表面受拉、下表面受壓，在與中隔板相連位置的承壓板上、下表面的拉、壓應力最大，上表面的最大拉應力為270 MPa，下表面的最大壓應力為252 MPa，其他部位上下表面的應力較小。

圖4 錨固區(qū)Mises應力分布圖（單位：kPa）Fig.4 Mises stress contour of the anchorage zone（Unit：kPa）

從圖5（e），（f）中可以看出，承壓板豎向以上下支承板為支承發(fā)生局部彎曲，使得豎應力分布很不均勻，在支承位置上表面受拉、下表面受壓且應力最大，上表面的最大拉應力約160 MPa，下表面的最大壓應力約140 MPa，其他部位上下表面的應力較小。

圖5 承壓板應力分布圖（單位：kPa）Fig.5 Stress contour of the bearing plate（Unit：kPa）

圖6 為斜拉索錨箱支承板沿斜拉索方向的應力分布圖。從圖中可以看出，與中隔板相連位置的支承板在靠近承壓板處的拉應力較大，最大應力為125 MPa，此外，支承板在靠近承壓板邊緣的壓應力較大，在支承板內(nèi)表面處的壓應力明顯比外表面的大，最大壓應力為220 MPa左右，支承板在其他位置的應力相對較小。

圖7為橋塔中隔板Mises應力分布圖。中隔板承受著承壓板與支承板傳遞來的荷載，在與承壓板、支承板相交角點處應力較大，最大Mises應力達到約130 MPa。中隔板由于對稱受力，并無面外彎曲效應，這與常規(guī)的斜拉橋中索梁錨固腹板受力有較大的不同。

以上的分析表明，錨固區(qū)各個板件的Mises應力在板件相交處較大，但均未超過材料的屈服應力，結構安全。

4.2 斜拉索索力傳力分析

根據(jù)前文鋼錨箱的應力分布規(guī)律知道，斜拉索索力首先傳遞到承壓板上，通過承壓板、支承板與中隔板間的三道焊縫把全部的索力傳遞到中隔板上。為了清楚描述鋼錨箱這三道焊縫在不同長度所承擔的索力大小，計算鋼錨箱沿長度方向不同位置上的支承板的壓力總和，得到距離承壓板不同位置處鋼錨箱承擔索力比例，如圖8所示。

圖6 支承板應力分布圖（單位：kPa）Fig.6 Stress contour of the bracing plate（Unit：kPa）

圖7 中隔板Mises應力分布圖（單位：kPa）Fig.7 Mises stress contour of the diaphragm（Unit：kPa）

從圖8（a）中看出，對于斜拉索錨箱在距離承壓板0.2 m位置時，鋼錨箱承擔了63%～80%的斜拉索索力，其他20%～37%的索力已經(jīng)傳遞到中隔板上，在距離承壓板0.8 m位置時，鋼錨箱還承擔了21%～37%的斜拉索索力，在距離承壓板1 m位置時，鋼錨箱承擔的斜拉索索力低于20%。另外，鋼錨箱承擔的索力比例在不同錨箱中略有不同，隨錨箱傾角增大，錨箱分擔索力比例增加。

從圖8（b）中看出，對于水平拉索錨箱在距離承壓板0.1 m位置時，鋼錨箱承擔了60%的水平拉索索力，其他40%的索力已經(jīng)傳遞到中隔板上，在距離承壓板0.4 m位置時，鋼錨箱還承擔了20%左右的水平拉索索力。另外，鋼錨箱承擔的索力比例在不同錨箱中基本相同，主要是因為所有的水平拉索角度完全相同。

對比圖8（a）和圖8（b）可知，由于斜拉索錨箱和水平拉索錨箱長度不同，使得在距離承壓板相同位置處鋼錨箱承擔的索力比例不同，但是在距離承壓板長度相同比例位置處二者承擔的索力比例比較接近，如在距離承壓板1／6錨箱長度（斜拉索錨箱長度1.4 m，水平拉索錨箱長度0.6 m）時二者承擔的索力比例約為60%，在1／2錨箱長度時二者承擔的索力比例約為37%，在2／3錨箱長度時二者承擔的索力比例約為20%。

圖8 鋼錨箱承壓比例Fig.8 Cable forces being shared by the steel anchoring box

5 結 論

本文以宜興范蠡大橋為背景，通過建立空間板殼有限元程序，對錨固區(qū)板件應力狀態(tài)、傳力途徑等方面進行研究分析，分析表明：

（1）鋼錨箱結構中各板件受力復雜，承壓板、支承板以及中隔板的應力分布很不均勻，在較小部位的應力較大，大部分板件的應力較小。各板件Mises應力在260 MPa以下，板件的單向正應力最大值為270 MPa，高應力區(qū)域范圍較小，應力擴散較快，鋼錨箱承載能力滿足要求。

（2）錨箱式結構中，拉索索力通過承壓板、支承板與中隔板間的三道焊縫把全部的索力傳遞到中隔板上，鋼錨箱承擔的索力比例在距離承壓板位置不同而不同，但對斜拉索錨箱和水平拉索錨箱其承擔的索力比例在相同錨箱長度比例位置較為接近。

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M echanical Properties of the Box-shaped Anchorage Zone in a Cable-stayed Bridge Steel Pylon

LIDan1SU Qingtian1，*WU Chong1SUN Xuxia2
（1.Department of Bridge Engineering，Tongji University，Shanghai，200092；2.Tongji Architecture Design Institute（Group）Co.Ltd.，Tongji University，Shanghai，200092）

As a critical structural component in the pylon that connects cables of a cable－stayed bridge，the anchorage zone serves to pass the cable force to the pylon.Based on the Fanli Bridge，a shell finite element model is built to analyze mechanical properties of box-shaped anchorage zone in a steel pylon.The research shows that stress distribution of plates in the anchorage zone is non-uniform.Stress concentration is severe in the joints between bearing plate and diaphragm but the region of stress concentration is limited.The ratio of the bearing cable force in inclined cable anchorage zone and that in the horizontal cable anchorage zone is close when these two cables have the same length ratio in the anchorage zone.

steel anchoring box，cable-pylon anchorage zone，mechanical property，finite element analysis

2013-04-01

*聯(lián)系作者，Email：sqt＠tongji.edu.cn