鋼錨梁結構參數分析

李欣

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市 200092）

鋼錨梁結構參數分析

李欣

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市 200092）

以湖州市創業大道跨長湖申線大橋主橋鋼錨梁為背景，對板件水平荷載分擔比、承力板傳遞荷載比及側板轉角局部應力進行參數分析，對鋼錨梁設計提供建議。結果表明：側板承擔了大部分的水平分力（約65%），而底板對水平分力承擔貢獻很小（約2%）；增大錨點的高度，相當于加大了索力水平分力的偏心，將使頂板承擔更多的荷載，同時將加大側板轉角區域的應力集中；支撐板與側板各自承擔約50%的錨下壓力，上支撐板比下支撐板傳遞荷載略大，約大10%；錨固點的水平位置對鋼錨受力影響基本不大。

鋼錨梁；板件水平荷載分擔比；承力板傳遞荷載比；側板轉角局部應力

1　工程背景

湖州市創業大道跨長湖申線大橋主橋為跨徑（149+100=249）m獨塔雙索面混凝土主梁斜拉橋，塔、梁、墩固結體系。索塔采用H形索塔；主梁采用混凝土雙主肋主梁；斜拉索采用平行鋼絲成品索。

索塔總高度為70 m，中塔柱高度截面采用箱形截面，順橋向寬度為7.0 m，橫橋向寬度為4.0 m，順橋向壁厚1.35 m，橫橋向壁厚0.7 m。上塔柱為豎直塔柱，截面采用箱形截面，順橋向寬度為7.0 m，橫橋向寬度為4 m，順橋向壁厚1.0 m，橫橋向壁厚0.7 m。

斜拉橋拉索縱向立面采用扇形布置，橫向略微內傾，為空間索面。全橋共44對索，塔上索距2.15～2.25 m。使用階段最大索力約 8 000 kN，AC08～AC22、MC08～MC22拉索采用鋼錨梁+混凝土牛腿的錨固形式。

以往的鋼錨梁研究中，主要集中在模型試驗及針對某一設計進行的豎直分析［1-4］，本文對鋼錨梁板件水平荷載分擔比、承力板傳遞荷載比及側板轉角局部應力進行參數分析，為鋼錨梁設計提供建議。

2　計算模型

鋼錨梁錨固的傳力途徑：將鋼錨梁沿順橋向置于混凝土索塔內壁的牛腿上，斜拉索直接錨固在鋼錨梁的承壓板上，承壓板通過承力板將索力傳遞給腹板，其中，斜拉索水平分力主要由鋼錨梁承擔，豎向分力通過牛腿傳給塔柱。鋼錨梁計算時，偏安全地考慮鋼錨箱承擔全部斜拉索的水平力（見圖1和圖2）。

圖1　鋼錨梁示意圖

圖2　有限元模型

（1）單元：鋼錨梁板件采用板殼單元Shell63模擬，為模擬索力在鋼板中的擴散過程，將承壓板用實體單元Solid45模擬，承壓板與承力板之間殼體連接采用接觸單元Conta175和Targe170模擬其固結。

（2）邊界條件：鋼錨梁底板與牛腿連接區域一端固結，一端可以自由滑動。

（3）荷載：自重荷載+斜拉索索力，對于索力，根據斜拉索錨圈與承壓板的作用面積，以面荷載的形式施加到鋼錨箱承壓板上。

3　參數分析

3.1水平力分配參數分析

鋼錨梁的作用為平衡索力水平力，在斜拉索水平分力作用下，鋼錨梁整體為偏心受拉構件，水平拉力由側板、頂板和底板一起承擔。各板件荷載分擔比應與其抗拉剛度（即板件面積）、索力作用點偏心（拉索錨固點高度）等有關，本文分析側板厚度、側板高度、錨點高度及錨點水平距離三個參數對頂板、側板和底板水平荷載分擔比的影響，鋼錨梁整體設計提出建議，圖3所示為相關參數分析結果。

由圖3可知：

圖3　板件水平荷載分配參數分析

（1）側板承擔了大部分的水平分力（約65%），而底板對水平分力承擔貢獻很小（約2%）。設計中，常由于斜拉索加長桿的空間要求，對底板開孔，事實上，這對結構受力影響很小。但對于頂板，承擔了相當一部分水平力（約30%），隨意對頂板的開孔，將導致一部分荷載轉移到側板，設計和施工中應注意評估這一影響。

（2）隨著側板厚度或側板有效高度的增加（即增大側板抗拉剛度），側板分擔水平荷載的能力也增加，一般設計情況下，分擔比都在60%以上。

（3）由于頂板最接近水平分力作用點偏心內側，相比于側板應力分布從下至上為三角形分布，頂板基本呈現均勻的飽和應力狀態，效率更高，對于有些索力超大的斜拉橋，如果單純地利用側板承擔荷載，將導致側板需采用超厚板（甚至超過50 mm），這是不合理的，如果能合理利用合適板厚的頂板承擔荷載，這將使鋼錨梁設計更為合理。

（4）增大錨點的高度，相當于加大了索力水平分力的偏心，而頂板作為偏心內側，承擔荷載比例將增加。

（5）錨固點的水平距離對板件水平荷載分配比例基本影響不大。

3.2承力板傳遞荷載比參數分析

由鋼錨梁錨下構造可知，錨墊板下的左、右側板及上、下支撐板對錨墊板組成一個矩形的四面支撐，索力通過錨墊板一部分直接以壓應力的形式傳給與其接觸的側板，一部分通過承力板以剪應力形式傳給側板。盡管最終都傳遞至側板，但從設計的角度，更希望索力以后者途徑進行傳遞，這樣可以保證應力傳遞的均勻性，更趨向于對側板以更小的偏心傳遞水平力，改善側板轉角點應力（下文對此專門進行分析），本文對上下支撐板厚度、長度、間距及側板間距幾個參數對支撐板傳遞荷載比進行參數分析，具體如圖4所示。

圖4　承力板傳遞荷載比參數分析（單位：mm）

計算表明：

（1）支撐板與側板各自承擔約50%的錨下壓力，上支撐板比下支撐板傳遞荷載略大，約大10%。

（2）隨著支撐板厚度或長度的增加（即增大支撐板剛度），支撐板傳遞荷載比例增加，但支撐板長度與其傳遞荷載能力并不一直為線性比例關系，兩者存在最優平衡點，設計時選擇合理的支撐板長度，既能減短鋼錨梁兩端的傳遞構造長度，從而實現其經濟性，又能保證其受力要求。

（3）支撐板或側板間距減小（在能保證斜拉索穿過的空間下），各自傳遞荷載能力線性增強，即減小支撐板間距或增大側板間距可以使支撐板傳遞荷載比例增加。

3.3側板轉角局部應力參數分析

側板是鋼錨梁格板件中輪廓尺寸最大的板件，其用鋼量往往占整個鋼錨梁構件用鋼梁50%以上，選擇合適的側板板厚及形狀可以直接產生良好的經濟效益。實際上，選擇合適的板厚后，鋼錨梁側板的中部應力在設計中一般并不控制，側板應力較大的區域一般在兩端的應力傳遞區域，特別是兩個轉角位置，如圖5所示。

圖5　側板應力較大區域示意圖

分析側板厚度、轉角處倒角、錨點高度及錨點水平距離幾個參數對該區域應力的影響，如圖6所示。

計算表明：

（1）轉角區域應力與側板厚度有線性關系，加大側板的厚度，可以有效地減小區域應力，但側板厚度對鋼錨梁用鋼量影響很大，可選擇局部加厚板件的方式改善該區域應力，即側板中間區域與兩端采用變厚度設計。

（2）倒角半徑對區域應力影響較大，但半徑增大到一定值后，基本趨于穩定，設計時，由于尺寸要求，往往倒角半徑都是有限制的，因此在有效的尺寸空間內選擇合適的倒角半徑非常有必要。

（3）如前文所述，錨點高度的增大，將增大水平力的偏心，這將導致轉角區域應力的增大，而錨點水平位置對改區域應力影響不大。

圖6　側板轉角局部應力參數分析

4　結語

本文對鋼錨梁主要構件及關鍵位置控制應力進行參數分析，計算得到以下結論：

（1）側板承擔了大部分的水平分力（約65%），而底板對水平分力承擔貢獻很小（約2%）。設計中，常由于斜拉索加長桿的空間要求，對底板開孔，事實上，這對結構受力影響很小。但對于頂板，承擔了相當一部分水平力（約30%），隨意對頂板的開孔，將導致一部分荷載轉移到側板，設計和施工中應注意評估這一影響。

（2）增大錨點的高度，相當于加大了索力水平分力的偏心，將使頂板承擔更多的荷載，同時將加大側板轉角區域的應力集中。

（3）支撐板與側板各自承擔約50%的錨下壓力，上支撐板比下支撐板傳遞荷載略大，約大10%；隨著支撐板厚度或長度的增加（即增大支撐板剛度），支撐板傳遞荷載比例增加，但支撐板長度與其傳遞荷載能力并不一直為線性比例關系，兩者存在最優平衡點，設計時選擇合理的支撐板長度，既能減短鋼錨梁兩端的傳遞構造長度，從而實現其經濟性，又能保證其受力要求。

（4）轉角區域應力與側板厚度有線性關系，加大側板的厚度，可以有效地減小區域應力，但側板厚度對鋼錨梁用鋼量影響很大，可選擇局部加厚板件的方式改善該區域應力，即側板中間區域與兩端采用變厚度設計。

（5）錨固點的水平位置對鋼錨受力影響基本影響不大。

［1］張奇志.內置式鋼錨梁索塔錨固結構試驗研究 ［J］.鐵道建設，2012（12）：1-4.

［2］陳世教，薛志武，杜波.基于ANSYS的廈漳跨海大橋主塔鋼錨梁有限元分析［J］.重慶交通大學學報（自然科學版），2011（3）：357-360.

［3］胡貴瓊，鄭舟軍.荊岳長江公路大橋鋼錨梁索塔錨固區單節段模型有限元分析［J］.世界橋梁，2012（2）：40-44.

［4］勵曉峰，陳何峰，鄭本輝.桂林南洲大橋索塔鋼錨梁結構受力分析［J］.建筑結構，2008（9）.

U441+.2

A

1009-7716（2016）06-0106-04

2016-04-05

李欣（1978-），男，湖北武漢人，碩士，工程師，從事橋梁設計工作。