鋼混疊合梁拉索錨固區受力性能分析

王良雷

（華東建筑設計院市政工程設計院，上海市 200041）

鋼混疊合梁拉索錨固區受力性能分析

王良雷

（華東建筑設計院市政工程設計院，上海市 200041）

斜拉橋結構已經成為了橋梁工程中最常見的一種結構形式，近年來有了較大的發展。但拉索錨固區的合理設計一直是斜拉橋設計的重點。斜拉橋的索梁錨固形式的優化也有一定程度的發展，最常見的索梁錨固形式包括齒塊式、錨箱式、錨拉板式等，其中錨拉板式應用相對較少。針對背景工程在疊合梁中所用的錨拉板式索梁錨固區開展相關研究，對錨頭與錨墊板之間的傳力特性進行了接觸非線性分析，對錨固區內錨拉板自身的結構性能，錨固區內主梁的力學性能進行了研究。并對錨固區內關鍵焊縫的受力情況進行研究，對錨固區的結構性能進行了綜合評價。

斜拉橋；錨拉板；受力性能；數值模擬；焊縫應力

0　引言

斜拉橋巨大的索力集中地作用于索梁錨固結構，索梁錨固結構是一個局部應力大、傳力復雜的區域，它要將巨大的索力分散到整個主梁截面[1]。因此斜拉索的錨固結構是斜拉橋的關鍵部位，斜拉索錨固的可靠與否直接關系到整個大橋的安全。設計時應盡量使力線流暢，避免出現過大的應力集中；否則，在長期動載和靜載作用下，可能出現疲勞或強度破壞。

斜拉橋索梁錨固結構不僅要設計合理，還要注意實際的加工工藝水平以及考慮養護的方便。在斜拉橋的設計壽命期間，斜拉索的更換在正常情況下已不可避免，因而要求錨固結構上拉索可以且能方便的更換。對于主梁來說，斜拉索錨固結構應盡量減少甚至避免對主梁的削弱以及對主要受力構件的切斷；錨固結構要使索力的傳遞途徑簡捷，主梁各構件受力盡量明確，而且能使強大的集中力在主梁中迅速地分散，變得均勻。另外，由于錨固點處受巨大的索力作用，所以錨固點附近的橋面板、腹板、底板等構件要注意防止局部破壞。

目前，斜拉索與混凝土梁連接主要采用齒塊式錨固形式；我國大跨度鋼箱梁斜拉橋中常見的索梁錨固型式主要有以下四種[2]：錨箱式錨固形式、耳板式錨固形式、錨管式錨固形式、錨拉板式錨固形式。

齒塊式錨固的錨固塊根據傳力的要求和構造的形式可以分為頂板齒塊錨固式、腹板齒塊錨固式和底板齒塊錨固式，每種錨固形式都可以適用于不同的錨固區構造。在力的傳遞方面，拉索水平分力主要通過錨固塊以軸壓的形式傳給齒塊附件的頂板、腹板或底板，后再分布到梁體全截面，豎向分力主要通過錨固塊以剪力的形式傳給腹板。

錨箱式連接是設置錨固梁，將錨固梁用焊接或高強螺栓與主梁連接，斜拉索錨固在錨固梁上；也有的將主梁外伸出牛腿作為錨固梁[3]。由于錨固梁在多個方向需要補強，在設計時一般做成錨箱。錨箱式索梁連接的優點是腹板不受各索橫向傾角的影響，可以采用固定傾角，傾角之差可在錨箱內調整，降低了制造難度，便于節段的標準化生產；斜拉索減振可以使用內置式阻尼器，并能保證阻尼器牢固的連接在主梁上，能充分發揮阻尼器的作用；對材質沒有特殊的要求；錨頭置于風嘴內，景觀效果好。

耳板式連接也稱為銷鉸式連接，它由主梁的腹板向上伸出一塊耳板，斜拉索通過鉸或鋼管錨固在耳板上，索力直接由耳板傳給主梁的腹板。該種結構具有構造簡單，傳力明確、順暢，便于安裝和日常檢修等優點，但只適合在塔端張拉。

錨拉板式錨固結構由承壓板、錨管、錨拉板、加勁板及加強板組成。錨拉板上部開槽，槽口內側焊于錨管外側，斜拉索穿過錨管并用錨具錨固在錨管底部；錨拉板下部直接用焊縫與主梁上翼板焊接；錨拉板中部除了滿足安裝錨具的空間需要之外，還需連接上、下兩部分。為了補償開槽部分對錨拉板截面的削弱，以及增強其橫向剛度與整體性，錨拉板的兩側焊接加勁板。另外，為確保索力均勻地傳給主梁，與錨拉板連接區域的主梁上翼板加厚，鋼主梁腹板增設加勁板[4]。該種結構可以適應各斜拉索橫向傾角的不同，使腹板采用固定傾角，降低了制造難度；同時，其構造簡單，便于安裝和日常檢修，但錨固系統外露不美觀；由于拉板與腹板連接是一很長的水平端焊縫，在強大的拉力作用下，疲勞問題較為明顯[5]。

1　背景工程與分析方法

本文的背景工程為某鋼混組合梁斜拉橋，大橋跨徑布置為：162 m+480 m+202 m斜拉橋+4×40 m預應力混凝土箱梁，橋梁全長1 014 m。主橋采用雙塔三跨半漂浮體系空間索面結合梁斜拉橋，橋面總寬為27.5 m。主梁將混凝土橋面板與鋼縱梁和鋼橫梁連結成整體的鋼-混組合結構，其中橋面板既能將車輪活載傳遞給鋼縱梁和鋼橫梁，又能參與鋼縱梁和鋼橫梁的受力,還起到了連接鋼縱梁和鋼橫梁的作用，保證三者的整體變形，形成所謂的合成橋面板。這種形式的主梁大大減少了梁段制造或澆筑的尺度和重量。

斜拉索與主梁之間通過錨拉板進行錨固。每個橋塔兩側各有19對斜拉索，空間雙索面體系要求根據拉索位置的不同，錨拉板的順橋向及橫橋向傾角也隨之變化，見圖1。

圖1　錨拉板構造示意圖

為了對索梁錨固區的受力特性進行較全面的分析，對索梁錨固區局部的傳力機理及受力的合理性進行分析研究，應用大型有限元通用分析軟件ANSYS，主要采用子結構法對局部進行三維建模分析。首先應用網格劃分較為粗糙的總體模型進行總體受力分析，然后從總體模型的分析結果中得到局部分析區域的荷載及位移邊界條件，并根據實際尺寸、構造建立局部精細化模型，并將其荷載及位移邊界條件作為反力施加在相應的位置上，最后分析局部區域子結構，計算局部應力，見圖2。

圖2　計算分析有限元模型

為準確模擬在巨大索力下錨頭與錨墊板的接觸狀態，在錨墊板與錨具螺母之間建立接觸單元，以錨墊板表面為目標面，以錨具螺母表面為接觸面，建立有限元模型分析兩者的接觸非線性行為。接觸摩擦系數參照結構設計規范（GB 50017-2003），取值為u=0.35。

2　錨固區受力性能分析

錨頭的接觸非線性結果分析表明，錨頭與錨墊板在索力作用下的接觸狀態見圖3。其中，紅色區域表示錨墊板與錨具螺母緊密接觸（Closed and Sticking）的區域；橙色區域表示錨墊板N7與錨具螺母緊密接觸但接觸面水平向有較小相對滑移（Closed and Sliding）的區域；黃色區域表示錨墊板N7與錨具螺母有一定脫開位移（Open but Near Contact）的區域，但是仍然接近于接觸狀態；本次接觸單元計算結果中沒有完全脫開的區域（Open and Not Near Contact）。分析結果表明錨頭基本與墊板全接觸，墊板的厚度選取較為合適。

圖3　螺母與錨墊板接觸示意圖

總的來說，錨拉板是多塊鋼板焊接而成的空間結構，板件幾何形狀突變不規則，構造和受力狀態較為復雜。本橋錨拉板結構在最大索力作用下基本滿足要求。錨拉板各構件應力水平在允許的范圍內，傳力路徑清晰、明確。主拉板和支撐管在二者交接的局部位置出現應力集中現象，但作用范圍很小，且集中應力都較為均勻、平緩地擴散到附近區域，其他位置主拉板和支撐管的受力均較為均勻。主拉板及拉板加勁在主拉板開槽位置的應力較大，荷載從錨頭傳遞一定距離之后主拉板和其加勁位置基本可以均勻的將荷載傳遞至主梁處，各板件的剛度選取較為合理。錨固區總體的應力水平均控制在200 MPa以下，局部小范圍的集中區域不超過300 MPa，且應力能得到較好的擴散，見圖4。

圖4　錨拉板各板件應力Mises總體分布

3　錨固區主要焊縫的受力分析

錨固區錨拉板受力特性分析錨固區鋼梁受力性能分析索梁錨固區是構造復雜的空間結構，板件與板件之間通過焊縫連接，為確保結構有足夠的安全性及耐久性，對焊縫的強度要求較高。在巨大索力的作用下焊縫處應力水平將直接影響錨固區的安全。如圖5所示，紅色線標出了索梁錨固區幾條主要焊縫的位置，提取相應位置節點的內力，以此分析焊縫的受力性能。提取的位置有：結合梁錨固區的三個位置，結合梁與錨拉板的結合位置，豎拉板N1與橫拉板N2、N3結合的兩個位置，豎拉板N1與支撐管結合位置。

圖5　計算焊縫位置的示意圖

對錨固區進行有限元計算分析后，提取各焊縫相應位置節點的應力值，按照各節點相對坐標進行統計匯總，得到主要焊縫的應力水平見圖6。

從以上統計可以得到結合梁錨固區加勁肋處焊縫（焊縫1～3）應力水平較低，均在40.0 MPa以下，受力性能較好。錨拉板與鋼主梁結合處（焊縫4）是傳力的關鍵部位，應當予以重視，經過計算分析發現此處應力小于60.0 MPa，但該位置的疲勞特性較為突出需要對其施工質量進行控制。主拉板與其加勁結合位置處的焊縫（焊縫5～6）應力較大，平均值在100.0 MPa左右，局部位置超過160.0 MPa，但小于200.0 MPa，此處焊縫安全儲備相對較小，對于焊縫質量應該嚴格控制。豎拉板與支撐管結合位置處的焊縫（焊縫7～8）應力水平除局部位置較大外，平均應力水平在50.0 MPa左右。局部焊縫安全儲備相對較小，對于焊縫質量應該嚴格控制。總體而言錨固區的焊縫應力偏大，應對焊縫的工藝進行嚴格控制。

圖6　焊縫應力匯總

4　結　語

索梁錨固結構是一個局部應力大、傳力復雜的區域，它要將巨大的索力分散到整個主梁截面。因此斜拉索的錨固結構是斜拉橋的關鍵部位，斜拉索錨固的可靠與否直接關系到整個大橋的安全。設計時應盡量使力線流暢，避免出現過大的應力集中；否則，在長期動載和靜載作用下，可能出現疲勞或強度破壞。

本文針對背景橋梁的索梁錨固區，在適當簡化和合理的假定下進行有限元計算分析，以此考察本橋索梁錨固區的受力性能以及傳力的合理性。通過對本橋索梁錨固區局部模型的有限元分析可以看出，本橋錨拉板結構在最大索力作用下基本滿足要求，錨拉板各構件應力水平在允許的范圍內，傳力路徑清晰、明確。僅部分局部位置出現應力集中現象，但作用范圍很小，且集中應力都較為均勻、平緩地擴散到附近區域，通過改變相關構件的尺寸可有效地緩解應力集中現象。

錨固區的主拉板與支撐管相連的位置出現了應力集中現象，雖然作用范圍較小，不影響總體受力性能，但在施工過程中應特別注意各板件間的連接，保證焊縫強度，減小殘余應力，才能更好的確保索梁錨固區在長期動載和靜載作用下的安全性與耐久性。

[1]李本偉.斜拉橋索梁錨固模型試驗與計算分析[D].四川成都:西南交通大學,1997.

[2]李小珍,蔡婧,強士中.大跨度鋼箱梁斜拉橋索梁錨固結構形式的比較研究[J].土木工程學報,2001,37(3):73-79.

[3]王嘉弟,趙廷衡.斜拉橋鋼箱梁索梁錨固區域應力應變分析[J].橋梁建設,1997(4):20-22.

[4]侯文崎,葉梅新.結合梁斜拉橋錨拉板結構研究 [J].鋼結構. 2002,17(2):22-27.

[5]任偉平,強士中,李小珍,等.斜拉橋錨拉板式索梁錨固結構傳力機理及疲勞可靠性研究[J].土木工程學報,2006(10):68-73.

U441

A

1009-7716（2016）10-0040-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.10.013

2016-04-08

王良雷（1978-），男，江蘇徐州人，高級工程師，從事橋梁設計工作。