異型拱橋索梁索拱錨固區(qū)受力分析

杜 闖，張彩利，卿龍邦

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401;2.河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401)

異型拱橋是新近發(fā)展的一種橋型，其造型特點是主梁與拱肋斜交，通過吊索將主梁與拱肋相連。吊索兩端用鋼錨箱與主梁和拱肋錨固連接。由于鋼錨箱要將橋面的荷載傳遞到拱肋上，再通過拱腳傳遞到基礎(chǔ)中去，這就明顯造成鋼錨箱錨固區(qū)是一個局部應(yīng)力集中的薄弱接頭區(qū)域。因此，吊索與主梁和吊索與拱肋的錨固連接是設(shè)計的關(guān)鍵問題之一。目前，關(guān)于鋼錨箱錨固連接的研究主要集中在斜拉橋的索梁錨固連接結(jié)構(gòu)上，而關(guān)于異型拱橋鋼錨箱錨固結(jié)構(gòu)的相關(guān)文獻幾乎沒有。因此非常有必要進行異型拱橋的鋼錨箱錨固研究，為新型橋梁結(jié)構(gòu)錨固連接提供理論支持。

本文以張家口異型通泰大橋為例，借鑒已有的斜拉橋索梁錨固連接研究相關(guān)成果［1-3］，采用有限元法進行了鋼錨箱連接結(jié)構(gòu)的受力分析，對于掌握錨固區(qū)受力特性、指導(dǎo)設(shè)計及預(yù)應(yīng)力索力的施加具有相當(dāng)?shù)墓こ虒嵱脙r值，也可為類似工程提供參考。

1 通泰大橋概況

張家口通泰大橋是河北省張家口城市快速路北環(huán)線跨清水河的一座異型鋼結(jié)構(gòu)吊索拱橋。主梁跨度190 m，位于半徑600 m的平面曲線上。橋面不設(shè)縱坡，設(shè)置雙向2%的橫坡。主梁跨中設(shè)20 cm預(yù)拱度。拱肋斜跨主梁，跨度180 m，矢跨比0.345 1。該橋立面圖和平面圖如圖1、圖2所示。

圖1 通泰大橋立面(單位:m)

圖2 通泰大橋平面布置(單位:m)

主梁為扁平鋼筋梁，梁上設(shè)14對吊索，間距12 m，兩側(cè)無吊索區(qū)段長23 m。拱肋為單箱單室鋼箱拱，拱肋上設(shè)20處吊點，間距6 m，中間8個吊點各設(shè)2根吊索，東西兩側(cè)各6個吊點均為1根吊索。兩側(cè)無吊索區(qū)段30 m。吊索采用高強鍍鋅鋼絲成型，雙層PE保護層，冷鑄錨錨固體系。

2 有限元模擬

采用有限元軟件Ansys進行模擬分析，模型為空間有限元。采用此模型計算可得到索梁索拱鋼錨箱錨固結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形等。

2.1 材料參數(shù)

通泰橋主梁、拱肋和錨箱材料均采用 Q345E。Q345E的彈性模量取2.1×105N/mm2，泊松比取0.3，線膨脹系數(shù)取0.000 012/℃。

2.2 有限元建模

2.2.1 鋼錨箱選取

由于通泰大橋主梁與拱肋通過28根吊索連接，吊索兩端用錨箱與主梁和拱肋連接，主梁上錨箱用高強螺栓連接在邊腹板外側(cè)，拱上錨箱焊接在橫隔板和底板上。每根吊索與主梁及拱肋所呈的空間角度及長度各不相同。宜選取最不利的鋼錨箱錨固區(qū)為代表，進行受力分析。

本文選取具有代表性的梁上B7鋼錨箱進行受力分析。鋼錨箱由2塊錨固板和承壓板、鋪墊板組成;每個錨固板的外側(cè)設(shè)加勁肋，內(nèi)側(cè)與2個呈“凹形”的加勁板焊接，位置與外側(cè)加勁肋對應(yīng)，從而形成了錨箱框架結(jié)構(gòu)。斜拉索穿過承壓板與鋪墊板中間的圓孔，錨固在鋪墊板外側(cè)［4］。梁錨箱構(gòu)造示意如圖3(a)所示。

選取具有代表性的拱上A3，B9鋼錨箱進行受力分析。拱上錨箱焊接在橫隔板和底板上，將錨墊板支撐在大隔板和小隔板之間，保證索力能通過錨墊板傳遞到拱肋［5］。這樣的設(shè)置方式整體性更好，受力明確。錨箱構(gòu)造示意如圖3(b)(僅示出計算模型中一半拱肋錨箱)。

圖3 錨箱示意

2.2.2 有限元模型

采用大型有限元分析軟件Ansys進行梁上及拱上錨箱局部靜力分析。空間數(shù)學(xué)模型以設(shè)計施工圖提供的截面、材料與尺寸為依據(jù)，采用殼單元Shell63和體單元Solid45建模，其中Solid45用于模擬較厚的承壓板。

為了研究索梁錨固區(qū)局部受力情況，參照圣維南原理確定合理的計算梁段長度，且應(yīng)保證錨箱附近范圍內(nèi)的腹板應(yīng)力受邊界條件影響較小。取B7吊點附近的半邊鋼箱梁節(jié)段建模。在承壓板上施加成橋索力，在鋼箱梁節(jié)段的兩端施加固定約束。模型共有22 467個節(jié)點，33 653個單元。

同樣按照圣維南原理確定合理的計算拱肋長度。拱肋上橫隔板間距為3 m，計算模型中取拱肋段長度為6 m，并取兩端固結(jié)。在承壓板上施加成橋索力。拱上A3，B9錨箱有限元模型如圖4所示。模型共有44 244個節(jié)點，46 740個單元。

圖4 拱上A3，B9錨箱有限元模型

3 計算結(jié)果及分析

3.1 梁B7錨箱局部靜力分析

3.1.1 錨箱應(yīng)力

圖5 B7錨箱200 MPa以下Mises應(yīng)力(單位:Pa)

錨箱的傳力機理是由錨固板將承壓板承受的索力通過剪力的方式傳遞到腹板，應(yīng)力主要沿著邊腹板與錨固板、邊腹板與承壓板間的焊縫傳遞，擴散到整個主梁截面。由于承壓板受彎撓曲，使懸臂的錨固板發(fā)生向兩外側(cè)鼓起的變形，加勁板能有效地限制這種彎曲變形，從而形成了受力框架，保證了索力的安全傳遞［6-7］。

梁上B7鋼錨箱Mises應(yīng)力云圖如圖5所示。由圖可見，梁上B7錨箱整體應(yīng)力水平不高，大部分在100 MPa以下。邊腹板對于錨固板及承壓板相當(dāng)于彈性固定端，索力對于邊腹板的偏心作用使得邊腹板與錨固板、邊腹板與承壓板相接處存在應(yīng)力集中。所以，為保證錨固處的吊索索力合理分散到主梁上，主梁腹板內(nèi)側(cè)均應(yīng)做相應(yīng)的補強設(shè)計。有條件的話，可以在箱梁腹板外側(cè)增設(shè)一塊連接板，將錨箱與連接板焊接成一個整體錨箱，避免傳力板與腹板直接焊接，既能保證焊接質(zhì)量，又能方便運輸。

3.1.2 錨箱變形

計算表明:在成橋索力作用下，錨箱處的變形呈現(xiàn)局部集中現(xiàn)象，但影響范圍有限，其最大變形4.17 mm，對整個主梁變形影響不大。

3.2 拱上A3，B9錨箱局部靜力分析

3.2.1 錨箱應(yīng)力

同梁上錨箱類似，拱上錨固區(qū)段傳力機理為，索力作用在承壓板上，通過錨固板傳遞到橫隔板和與錨箱橫隔板相連的底板及底板加勁肋板上。

通過有限元計算，得到拱上錨箱A3，B9的有限元Mises應(yīng)力云圖如圖6所示。由圖可見，錨箱A3，B9整體應(yīng)力水平不高，最大應(yīng)力值為204 MPa。但個別點應(yīng)力集中，包括A3錨箱承壓板附近的橫隔板與底板加勁肋相交處、B9錨箱的承壓板與底板相交處、某些切口處。但板的整體傳力比較流暢，橫隔板能全截面參與受力。

圖6 A3，B9錨箱Mises應(yīng)力(單位:Pa)

此外，計算顯示與錨箱橫隔板相連的底板及底板加勁肋板的應(yīng)力集中主要在底板個別加勁肋上，最大應(yīng)力值為218 MPa。設(shè)計中可適當(dāng)加大該位置加勁肋截面尺寸。

3.2.2 錨箱變形

由計算結(jié)果可見，錨箱底板處往下鼓出2.4 mm，橫隔板側(cè)向鼓出2.5 mm。由于受A3和B9錨箱的影響，側(cè)向成S形變形。盡管變形量均不大，仍建議加厚錨箱底板厚度，以加強大小橫隔板之間的聯(lián)系。

此外還計算了與錨箱橫隔板相連的底板及底板加勁肋板的豎向變形，底板加勁肋豎向變形最大值2.65 mm，局部下鼓變形明顯。可通過適當(dāng)增加局部加勁肋尺寸增強抗彎剛度。

4 結(jié)論

通過對通泰大橋異型拱橋梁上吊點錨箱和拱上吊點錨箱進行有限元模擬局部靜力分析，可以得出如下結(jié)論:

1)梁上和拱上鋼錨箱雖然板件較多，但整體性能好，索力傳遞途徑明確，傳力流暢。

2)從索梁錨固區(qū)計算結(jié)果可以看出，梁上B7錨箱整體應(yīng)力水平不高，邊腹板與錨固板、邊腹板與承壓板相接處存在應(yīng)力集中;為了保證錨固處的吊索索力合理分散到主梁上，主梁腹板內(nèi)側(cè)應(yīng)做補強設(shè)計。同時，應(yīng)該嚴格控制錨固板與承壓板和腹板的焊接質(zhì)量。從索梁錨箱豎向變形來看，錨箱局部變形對主梁的影響不大。

3)從索拱錨固區(qū)計算結(jié)果可以看出，拱上A3，B9錨箱在吊點處整體應(yīng)力水平不高，受力最不利的是錨箱底板及兩塊橫隔板，局部位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，但板的整體傳力比較流暢，橫隔板能全截面參與受力，鋼錨箱的整體設(shè)置是安全可靠的。從拱索錨箱變形來看，應(yīng)加強錨箱底板厚度及大小橫隔板之間的聯(lián)結(jié)構(gòu)造。

［1］李小珍，蔡靖，強士中.大跨度鋼箱梁斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)形式的比較研究［J］.土木工程學(xué)報，2004，37(3):73-79.

［2］周緒紅，呂忠達，狄謹，等.鋼箱梁斜拉橋索梁錨固區(qū)極限承載力分析［J］.長安大學(xué)學(xué)報，2007，27(3):47-51.

［3］萬臻，李喬.大跨度斜拉橋拉索錨固區(qū)三維有限元仿真分析［J］.中國鐵道科學(xué)，2006(2):41-45.

［4］高劍，裴岷山.大跨度斜拉橋索梁錨箱空間受力分析［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2006，23(3):66-70.

［5］王會利，秦泗鳳，張哲，等.斜跨異型拱橋的設(shè)計與分析［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報:交通科學(xué)與工程版，2012，36(6):1157-1160.

［6］吳學(xué)華.斜跨拱橋結(jié)構(gòu)特點及力學(xué)性能分析［D］.大連:大連理工大學(xué)，2009.

［7］王曉明，袁遠，郝憲武.RC系桿拱橋拱肋吊桿錨固結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析與優(yōu)化［J］.鐵道建筑，2013(7):8-9.