異形雙斜塔斜拉橋索梁錨固和索塔錨固應力計算分析

翁怡軍, 鄭凱鋒, 程 超

(西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

異形雙斜塔斜拉橋索梁錨固和索塔錨固應力計算分析

翁怡軍, 鄭凱鋒, 程 超

(西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

索梁錨固和索塔錨固是斜拉橋控制設計的關鍵部位，其結構構造和受力情況復雜。文章以異形雙斜塔雙索面斜拉橋的錨固結構為研究對象。該橋主跨200 m，共設18對拉索；邊跨設輔助墩，單側設4對背索。應用大型有限元軟件ANSYS建立錨固結構和全橋板殼單元模型。通過梁單元模型計算最不利荷載工況，再根據實際情況模擬模型邊界條件，進行有限元計算分析。重點研究索梁錨固和索塔錨固結構中各主要板件的應力峰值和分布，驗證結構設計的合理性，以及提出相應的優化方法。

全橋板殼單元； 索梁錨固； 索塔錨固； 局部應力分析

斜拉橋中主梁承擔的巨大豎向荷載由索梁錨固結構傳遞給拉索，再通過索塔錨固結構傳遞至橋塔，因此這兩個結構均承受較大的集中荷載；其構造復雜，受力情況特殊，通常是控制設計的關鍵部位[1-2]。為避免在長期動載作用下出現疲勞或強度破壞，拉索錨固結構應盡量傳力順暢，避免出現應力峰值過大的情況。

目前，鋼箱梁斜拉橋常見的索梁錨固型式主要有以下4 種：(1) 錨箱式連接，如蘇通長江公路大橋、上海長江大橋；(2) 耳板式連接，如法國諾曼底大橋；(3) 錨管式連接，如日本的名港西大橋和生口大橋、汕頭宕石大橋；(4) 錨拉板連接，如青州閩江大橋、湛江海灣大橋。

鋼橋塔常見的索塔錨固形式主要分為以下4種：(1) 索鞍式錨固，如五河淮河大橋、美國托萊多橋；(2) 采用支承板式的錨固形式；(3) 鉸接型錨固形式，如瑞典斯特倫松德橋；(4) 鋼錨箱式錨固，如南京三橋和日本多多羅橋。

1 研究背景

本文研究背景為少背索異形雙斜塔雙索面斜拉橋，跨徑布置(70+80+200+80+70) m，全長500 m。索塔高123.727 m，主梁梁高3.5 m，無索區主梁全寬27.5 m，即0.5 m 防撞護欄+8.5 m 機動車道+0.5 m 防撞護欄+8.5 m雙線有軌電車專用道+0.5 m 防撞護欄+8.5 m 機動車道+0.5 m。有索區主梁全寬29.5 m，即在無索區兩側各增加1 m 索區寬度。主跨內對稱布置18 對拉索，每個橋塔9 對，呈扇形布置，梁上順橋向索距9 m，橫橋向索距28 m；塔上索距2.5～3.9 m，立面角度27.0°～47.1°，水平角度175°～170.9°。每個橋塔設置背索4 對，梁上索距2 m，塔上索距1.83 m，立面角度52.4°，水平角度167.5°，最長索長141 m。主橋橋型總體布置如圖1所示。

圖1 主橋橋型總體布置

橋梁中鋼箱梁及鋼錨箱均采用Q345qC鋼，有限元模型中材料彈性模量取值為2.1×105MPa，泊松比取為0.3，密度取為7 921 kg/m3。斜拉索采用高強度低松弛平行鋼絲索，抗拉極限強度fpk=1 670 MPa，彈性模量Ey=2.05×105MPa。

2 全橋模型和細部構造模擬

利用ANSYS有限元軟件，建立全橋模型。鋼橋塔和鋼箱梁采用板單元，斜拉索采用桁架單元，錨墊板采用實體單元模擬。二期恒載和輪壓荷載以面荷載方式施加，斜拉索初拉力以初應變施加。為了準確地進行仿真分析，選索力較大且受整體變形影響較大的中跨最長索，對其索梁錨固和索塔錨固兩區域所在位置的前后10 m節段進行網格加密，詳見模擬錨固結構。各部件物理特性按前文選取，斜拉索彈性模量暫不折減。由于橋梁為半漂浮體系，輔助墩、邊墩均采用約束梁底節點豎向位移的方式。主墩支座與下塔柱建立約束方程，聯立兩者的豎向位移。節段模型劃分網格時采用四邊形單元，劃分網格類型為：如果可能，則采用映射網格劃分，否則采用自由網格劃分。錨箱處各構件單元大小為50 mm，過渡節段為1 000 mm，其余各處為3 000 mm，各大小單元之間設有過渡。整個模型共383 646個單元，336 527個節點，全橋模型如圖2所示，下塔柱的模型如圖3所示。

圖2 全橋模型

圖3 下塔柱模擬

錨墊板與承壓板之間是一種緊壓密貼的關系，常用的處理辦法有等效板厚法、非線性接觸單元法和實體單元加非線性接觸單元法等。錨墊板解決的僅是承壓板及其周圍的局部應力問題，對遠離連接處應力影響小。本文采用一種折中的辦法：錨墊板由承壓板根據承壓面積擴展成實體單元，采用幾何耦合。如此避開非線性接觸單元，降低計算量，又較為準確地模擬出兩板緊壓密貼的關系。錨墊板受力復雜且不均勻，難以模擬其實際受力，但模型中不關注錨墊板應力，故將斜拉索直接與錨墊板外層中心節點連接。由于縱隔板、頂板、橫隔板與鋼錨箱焊接，所以直接使板件幾何相接。

中跨最長索的索梁錨固和索塔錨固局部模型如圖4和圖5所示。

圖4 索梁錨固模型局部

圖5 索塔錨固模型局部

3 索梁錨固詳細應力計算分析

通過Midas建立梁單元模型對中跨最長索應力進行影響線追蹤，得到最不利活載作用下的拉索應力和活載作用位置，再將該狀態下的拉索應力作為迭代目標，并且對模型施加結構自重、二期恒載和車輛輪壓，通過試算使施加拉索初應變后得到的拉索應力與目標應力相近，視為索梁錨固和索塔錨固的最不利工況。計算該工況下的，索梁錨固區主要板件的最大主應力、最小主應力和換算應力，匯總見表1。計算模型中各關鍵板件詳細換算應力云圖，如圖6～圖11所示。

表1 索塔錨固各板件局部應力 MPa

圖6 錨拉板換算應力(單位:MPa)

圖7 承壓板換算應力(單位:MPa)

圖8 加勁肋換算應力(單位:MPa)

圖9 主梁腹板換算應力(單位:MPa)

圖10 主梁頂板換算應力(單位:MPa)

圖11 主梁底板換算應力(單位:MPa)

跨中索梁錨固區錨拉板最大主應力出現在板件與主梁腹板連接出附近，值為149.7 MPa；最小主應力出現在錨拉板與承壓板接觸區域，為-215.4 MPa；最大換算應力出現在剪力板與腹板接觸下角點，為218.3 MPa；承壓板最大主應力出現在錨筒與承壓板連接出附近，值為121.4 MPa；最小主應力出現在剪力板與腹板接觸下角點，為-145.7 MPa；最大換算應力出現在剪力板與腹板接觸下角點，為131 MPa；加勁肋最大主應力出現在與剪切板相交的加勁肋對應的腹板連接處，值為201.4 MPa；最小主應力出現在加勁肋與斜加勁肋相交下角點，值為-203.4 MPa；最大換算應力出現同樣出現在加勁肋與斜加勁肋相交下角點，值為216.3 MPa；主梁頂板和底板的應力值分布較為均勻，且峰值較小。

從以上分析結果可以看出，索梁錨固處設計較為合理，除局部應力較大之外，多數處于合理范圍之內；但剪力板、加勁肋與腹板連接處交點、承壓板與錨筒相交孔處這兩個位置的應力相對較大，在設計中應重點關注，可考慮加大加勁肋尺寸或增加厚度。

4 索塔錨固詳細應力計算分析

通過ANSYS模型計算得到的索塔錨固區主要板件的換算應力匯總見表2。計算模型中各關鍵板件詳細換算應力云圖，如圖12～圖18示。

表2 索塔錨固各板件局部應力 MPa

圖12 承壓板M1換算應力(單位:MPa)

圖13 加勁板M2換算應力(單位:MPa)

圖14 加勁肋M3換算應力(單位:MPa)

圖15 錨墊板M4換算應力(單位:MPa)

圖16 錨拉板M5換算應力(單位:MPa)

圖17 加勁肋M6換算應力(單位:MPa)

圖18 加勁肋M7、M8換算應力(單位:MPa)

索塔錨固區承壓板上的最小主應力-202.9 MPa，最大主應力150.6 MPa，最大換算應力為226.8 MPa，最小主應力和最大換算應力均出現在最長拉索的承壓板與錨管連接處，最大主應力出現在承壓板與塔壁板連接的角點處。剪力板上最小主應力-197.6 MPa，出現在拉索剪力板與塔壁連接的角點處；最大主應力154.5 MPa，出現在拉索剪力板與錨管、承壓板三者的結合處；最大換算應力171.7 MPa，出現在拉索剪力板與錨管、承壓板三者的結合處。塔壁板最小主應力-92.40 MPa，最大主應力131.49 MPa，最大換算應力121.93 MPa，均出現在塔壁與剪力板連接的角點上。

從以上分析結果可以看出，索塔錨固處設計較為合理，除局部應力較大之外，多數處于合理范圍之內。但鋼箱與剪切板連接處轉角、承壓板錨下處和鋼箱與錨筒相交孔處這三個位置的應力相對較大，應重點關注，可考慮增加板件厚度或加大板件尺寸進行優化。

5 結論

由應力云圖結果可知，錨固結構作為荷載傳遞的關鍵部位，錨拉板和承壓板的受力相對不利。錨拉板應力較大部位集中在與相鄰板件連接角點區域，且為錨拉板的加勁肋支撐位置處出現。承壓板作為主要傳力構件，其最大應力出現在與錨筒和錨墊板的連接處。斜拉索帶來的巨大剪力通過承壓板傳遞給錨拉板，隨著板的擴散，應力值衰減也較快。

(1) 將全橋組合有限元模型局部網格加密，可詳盡模擬索梁錨固、索塔錨固結構，準確模擬邊界條件和加勁梁受力，能夠提高計算分析的準確性。

(2) 索梁錨固區錨拉板最大換算應力出現在剪力板與腹板接觸下角點，為218.3 MPa；承壓板最大換算應力出現在剪力板與腹板接觸下角點，為131 MPa；加勁肋最大換算應力出現同樣出現在加勁肋與斜加勁肋相交下角點，值為216.3 MPa；主梁頂板和底板的應力值分布較為均勻，且峰值較小。索梁錨固處設計較為合理，除局部應力較大之外，多數處于合理范圍之內；但剪力板、加勁肋與腹板連接處交點、承壓板與錨筒相交孔處這兩個位置的應力相對較大，在設計中應重點關注，可考慮加大加勁肋尺寸或增加厚度。

(3) 索塔錨固區承壓板上的最大換算應力為226.8 MPa，出現在拉索的承壓板與錨管連接處；剪力板最大換算應力171.7 MPa，出現在拉索剪力板與錨管、承壓板三者的結合處；塔壁板最大換算應力121.93 MPa，出現在塔壁與剪力板連接的角點上。索塔錨固設計均較為合理，除局部應力較大之外，多數處于合理范圍之內；但鋼箱與剪切板連接處轉角、承壓板錨下處和鋼箱與錨筒相交孔處這三個位置的應力相對較大，可考慮增加板件厚度或加大板件尺寸進行優化。

[1] 姚玲森.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2] 項海帆.高等橋梁結構理論[M].北京：人民交通出版社，2013.

[3] 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[J].工程力學，2004,21(6):84-90.

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[5] 顏海，范立礎.大跨度斜拉橋索梁錨固中的接觸問題[J].中國公路學報，2004,17(2):46-49.

[6] 米靜，王智龍，陳春羽.基于ANSYS的斜拉橋索梁錨固結構有限元分析[J].山西建筑，2014,40(28): 178-179.

翁怡軍(1991～)，男，在讀研究生，研究方向為大跨橋梁設計計算和復雜鋼橋結構設計。

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[定稿日期]2016-10-18