斜拉橋鋼塔柱外置式鋼錨箱局部應力分析

高碧波

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津 300142)

斜拉橋鋼塔柱外置式鋼錨箱局部應力分析

高碧波

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津 300142)

結合國內某大跨度斜拉橋，介紹了其索塔外置式鋼錨箱的構造特點，采用空間有限元方法對其索塔鋼錨箱節段模型進行了結構受力分析，最后指出了索塔錨固區的應力分布特點。結果表明：鋼錨箱雖然板件較多，但整體性能好，索力傳遞流暢；該結構部分區域存在一定程度的應力集中，在斜拉索索力作用下，結構的承載力滿足設計要求，并具有一定的安全儲備。

鋼錨箱 有限元分析 斜拉橋 應力集中

1 工程概況

某開發區大橋由主橋及兩側引橋組成，主橋為支承體系獨塔斜拉橋[3]，跨徑布置為100 m+100 m=200 m，塔高80 m。全橋跨徑布置：引橋(5×30 m+5×30 m)+主橋(100 m+100 m)+引橋(5×30 m+5×30 m)=800 m。引橋分上下行兩幅橋，主橋為整體單幅橋。

主橋橫斷面布置為：1.5 m索區+2.25 m人行道+3.5 m非機動車道+0.5 m護欄+12 m機動車道(0.5 m+3.75 m+3.5 m×2+0.75 m)+0.5 m護欄+12 m機動車道(0.75 m+3.5 m×2+3.75 m+0.5 m)+0.5 m護欄+3.5 m非機動車道+2.25 m人行道+1.5 m索區，總寬40 m。

本橋采用空間布置的雙索面斜拉索，每個索塔分別有12對索，塔上斜拉索索距由2.7 m漸變至3.7 m，主梁上斜拉索索距7 m。主橋總體布置圖如圖1所示。

圖1 主橋總體布置(單位：cm)

從橋梁美學的角度出發，本橋主梁采用2.5 m高的全封閉鋼箱梁形式；橋塔采用鋼箱型弧形結構形式，決定了該橋橋塔須采用鋼箱型結構，弧形鋼塔結構與24對斜拉索形成空間索型布置，結構錯落有致，富有韻律感。

2 塔柱外置式鋼錨箱基本構造

索塔錨固區直接承受強大的索力集中荷載，對斜拉橋而言極為關鍵[4]。本橋縱向靠近橋塔的4對斜拉索與橋塔的夾角較小，因此采用了外置式鋼錨箱結構，該位置塔壁板、塔柱腹板等厚度均為20 mm，錨墊板厚度40 mm，錨墊板下承壓板厚度40 mm，錨下垂直于塔壁板的N3板件厚度為30 mm，平行塔壁板的N4板件及N5、N6加勁肋厚度為20 mm，塔柱內部對應鋼錨箱位置設置了橫向及縱向加勁肋，厚度均為20 mm，鋼錨箱和橋塔均采用Q345qE[5]鋼材，斜拉索外置鋼錨箱三維示意見圖2。為了驗證索塔錨固區的傳力機理，分布規律，驗證設計的可靠性，對索塔錨固區進行了局部應力分析。

圖2 斜拉索外置鋼錨箱三維示意

3 有限元計算

3.1 有限元模型

采用大型有限元程序ABAQUS，單元類型選擇殼單元S4R。根據彈性力學中的圣維南原理[6]，結合部位的應力分析只與其附近區域的應力狀態有關，而遠離該部位區域中的應力狀態，對結合部位的應力分布影響很小，一般可以忽略不計。因為塔柱順橋向的對稱性，截取了塔柱截面的一半進行分析。豎向上截取了4 m塔柱進行分析。計算時，考慮了部分塔柱壁板及腹板區域，如圖3所示。

基于物種豐富度估計的結果表明，研究區內物種豐度估計量為48種，在5種棲息地獲取的步甲總數為42種，抽樣完整度為88.4%。依據樣地分布的步甲數據繪制物種累積曲線，由圖2可知，曲線先急劇上升再逐漸平緩，最后形成一條漸近線，表明本次試驗取樣充分，樣本數據對實際整體數據的代表性強，可進行下一步分析。

圖3 外置式錨固區有限元模型

3.2 邊界及荷載條件

將鋼塔柱節段頂底部做固結處理，約束全部自由度，鋼塔柱順橋向對稱面上施加對稱約束。由于施工狀態斜拉索的安全系數不應小于2.0，斜拉索錨具的安全系數不應小于斜拉索的安全系數[7]，故取斜拉索應力為0.5倍抗拉標準強度時對應的索力，換算為均布荷載的形式施加于錨墊板上。

4 計算結果

4.1 屈服準則

索塔錨固區各板件鋼材在復雜應力狀態下工作，鋼材的屈服并不僅僅取決于某一方向的應力，而是由反映各方向應力綜合影響的某個“應力函數”，即所謂“屈服條件”來確定的。筆者以Von Mises屈服準則[8]為依據，對錨固區應力進行評價判定。

Von Mises屈服條件[9]為

式中：s為Von Mises應力，s1、s2、s3為3個方向主應力；fy為鋼材的屈服強度。

4.2 位移計算結果

在斜拉索索力作用下，外置鋼錨箱及橋塔側板位移云圖如圖4、圖5所示，鋼錨箱位移最大值為1.56 mm。鋼塔柱壁板外鼓0.57 mm。錨墊板錨孔位置變形最大為1.2 mm。

圖4 斜拉索上錨箱位移(主視)

圖5 斜拉索上錨箱位移(側視)

4.3 應力計算結果

圖6示出了鋼錨箱的應力水平，可以看出，斜拉索的索力主要通過承壓板下的豎向板件傳遞剪力至塔柱，其他部位的應力水平較小。鋼錨箱的最大Von Mises應力為170.5 MPa，發生于N3板同塔壁板的連接角隅部位，該位置已設計圓角構造并且明確焊縫平順要求，以利于減小應力集中。

圖6 錨箱應力

圖7 N1板應力云

圖8 N2板應力云

圖9 N3板應力云

圖10 N4板應力云

圖7～圖10為鋼錨箱主要板件應力云圖，各板件的最大Von Mises應力值如表1所示。可以看出，鋼錨箱腹板N3為主要傳力構件，應力水平較其他板件要高很多。

圖11 塔柱壁板應力

圖11為塔柱壁板應力云圖，由該圖可以看出，鋼塔柱壁板的附加應力水平很小，僅在鋼錨箱附近承受局部應力，隨著與鋼錨箱距離的增大，鋼塔柱壁板的附加應力迅速減小。經計算，塔壁板的最大附加應力為178.2 MPa，位于鋼錨箱趾部，該部位設置倒圓角構造并且明確焊縫質量要求，盡量減少應力集中。

圖12 塔柱腹板應力

圖12為塔柱壁板應力云圖，由該圖可以看出，塔柱腹板的最大應力為176.1 MPa，位于鋼錨箱趾部周圍。

通過以上分析可知，該外置式鋼錨箱主要通過N3板件將斜拉索力產生的剪力傳至塔柱壁板。鋼錨箱趾部應力水平較高，該范圍內塔柱壁板、腹板及N3板Von Mises應力分別達到178.2 MPa、176.1 MPa及170.5 MPa。另外在塔柱內部同錨箱承壓板對應設置的拉板應力水平較高，達到209.9 MPa，其他部位應力水平較低。該構造傳力途徑明確流暢，板件應力滿足規范要求。

5 結論

(1)利用大型通用有限元分析軟件，建立有限元模型，準確地反映了鋼錨箱實際的幾何關系和傳力模式。空間有限元分析表明，本橋所采用的外置式鋼錨箱結構受力合理，傳力流暢，承載力滿足規范要求。

(2)鋼錨箱在傳力焊縫區域出現了應力集中[10]，但應力集中區域范圍較小，應力幅值在允許范圍之內，均小于250 MPa，且應力擴散較快，應力傳遞較流暢，此部位為設計的控制部位，在設計中應引起足夠重視，另外在施工過程中應嚴格控制焊縫質量。

[1] 林元培.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，1994

[2] 莊茁，張帆.ABAQUS/Standard 有限元軟件入門指南[M].北京：清華大學出版社，1998

[3] 嚴國敏，勞遠昌.現代斜拉橋 [M].成都：西南交通大學出版社，1996

[4] 項海帆.高等橋梁結構理論 [M].北京：人民交通出版社，2001

[5] GB/T 714—2008橋梁用結構鋼[S]

[6] 徐芝綸.彈性力學[M].北京：高等教育出版社，2005

[7] JTG/T D65—01—2007公路斜拉橋設計細則[S]

[8] 孫訓方，方孝淑，關來泰.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2002

AnalysisofBuilt-outSteelAnchorBoxonCable-StayedBridgeCablePylon

GAO Bibo

2013-12-17

高碧波(1981—)，男，2008年畢業于同濟大學橋梁工程專業，工學碩士，工程師。

1672-7479(2014)01-0097-04

U448.27； U441+.5

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