自錨式懸索橋鋼錨箱設計及受力分析

黃智華

（上海浦東建筑設計研究院有限公司，上海市 201204）

自錨式懸索橋鋼錨箱設計及受力分析

黃智華

（上海浦東建筑設計研究院有限公司，上海市 201204）

自錨式懸索橋結構新穎美觀，大纜和主梁錨固構造是其關鍵部位。對上海浦東川環南路浦東運河橋的總體設計作了介紹，該橋為112 m+72 m主跨的自錨式選索橋。采用雙主梁的鋼箱梁，錨箱為鋼結構。鋼錨箱設計新穎，構造獨特。由于其受力特點不易認識，因此，采用板殼單元的有限元模型進行分析，得到了其傳力途徑及各部位應力水平。

自錨式懸索橋；錨固型式；鋼錨箱；有限元模型

1 項目概況

上海川沙屬于浦東新區，浦東國際機場位于川沙功能區，2009年，國務院批復迪斯尼樂園項目落戶川沙。因此川沙的地理位置非常重要。川環南路位于川沙城區，東西向穿越鎮區中心。川環南路跨越浦東運河，需新建橋梁。浦東運河規劃河道藍線寬85 m。由于地理位置非常顯要，且該區域準備修建生態島，川環南路跨越浦東運河的同時，需要跨越該生態島，因此，112 m+72 m跨徑組合的自錨式懸索橋在眾多方案比選中脫穎而出，既滿足跨越要求，又具有獨特的景觀效果，見圖1。目前該橋已經進入實施階段。

圖1 浦東運河自錨式懸索橋效果圖

2 結構總體布置及鋼梁設計

國外自錨式懸索橋發展比較早[1]，我國近幾年也修建了一些這種橋型。川環南路浦東運河橋采用自錨式懸索體系，既選用了懸索橋這種大跨度結構，又使用了自錨式體系，克服了上海軟土地基難以建造錨碇的困難。懸索橋的大氣、柔美、力感等特點，給地區的橋梁建筑景觀增添了豐富的內涵。自錨式懸索橋主梁承受較大的水平力，且施工時需要先架設主梁，因此一般跨徑不宜做得太大。本橋根據現場情況選取跨徑組合為112 m+72 m=184 m的獨塔兩不等跨的型式。橋總寬32 m，兩根主纜平行布置，間距25.5 m。主跨和邊跨均設有吊桿懸吊主梁，吊桿標準間距7 m。主梁采用鋼箱梁結構，有利于施工中先架設主梁的要求。施工中采用少支架即可保證通航的同時架設主梁。在架設主纜及形成自錨式懸索橋體系的過程中，由于主梁的受力要經歷很多不同的工況，因此鋼梁的寬廣的應力適應范圍使得其施工控制變得比較容易。橋塔采用雙柱門式鋼筋混凝土橋塔，塔上設置鞍座。

本橋鋼梁采用雙主梁模式，兩片鋼箱梁中心線與大纜位于同一豎向平面內，其間距與大纜一樣，為25.5 m。利用吊桿將鋼梁的力傳給主纜。兩片鋼梁通過橫梁連接。橋面板為正交異性鋼結構橋面板，見圖2。

3 鋼錨箱構造及受力的問題

主梁和大纜連接需要索梁錨固構造，目前在自錨式懸索橋上的應用還不多，在斜拉橋方面相對應用成熟一些[2]，國內已有的錨固構造很多是混凝土主梁的[3],鋼結構主梁的自錨式懸索橋，其主纜在梁端錨固構造主要有三種：一是采用混凝土結構，二是采用鋼結構，三是采用鋼絲繩[4]。

圖2 鋼梁標準橫斷面圖(單位：mm)

對于浦東運河橋，采用混凝土錨固構造，其存在錨固空間不太夠，錨下應力過大，同時還需與鋼梁采用剪力連接構件等問題，因此采用鋼結構錨箱是比較合理的選擇。目前應用比較好的例子有長沙三汊磯大橋，其錨固體為格構式結構，由錨固前板、錨固后板、橫向板和豎向板組成[4,5]，見圖3。

圖3 鋼錨箱構造簡圖(單位：mm)

浦東運河橋吸取了三汊磯大橋的一些構造優點，同時根據實際情況做了一些創新，其錨固系統主要采用錨固主板M1和橫向板M2組成，見圖3[6]。大纜的力通過M1傳給頂、底、腹板和M2。其中M2是主要傳力板，M2再通過腹板傳遞到整個斷面。整個傳力結構簡單清晰。由于構造較新，需要進行受力分析，采用有限元進行仿真計算可以較為真實的反映結構的受力特點[7]。

4 鋼錨箱板殼單元受力分析

對于浦東運河橋的鋼錨箱，選取主跨部分的錨箱，利用MIDAS有限元軟件進行分析。建立鋼錨箱部分的板殼單元模型，模擬了M1（厚50 mm）、M2（厚 24 mm）、頂板（厚 50 mm）、腹板（厚 40 mm）、底板（厚40 mm）。對于大纜，其在M1板錨固部位與M1的板單元共用節點，在大纜散索鞍部位施加設計纜力14 888 kN，方向為順大纜軸心方向。大纜模擬為桿單元。在左端面將錨箱的節點自由度全部約束，模擬為固結，見圖4。

圖4 鋼錨箱有限元模型

經過計算，得出其計算結果。根據位移云圖可以看出，鋼錨箱的腹板的上側比下側的位移大。根據圖5可以看出，M2板的應力不大，基本在100 MPa以內。但頂板應力較大，在頂板的開孔靠近散索鞍側的應力較大，且頂板在橫隔板部位附近的外側應力也很大，均達到190 MPa。從圖6、圖7可以看出，腹板的下側應力較小，上側應力較大。靠近M1處應力較小，通過M2傳力端部應力較大。說明主纜的力通過M1大部分通過M2傳給腹板。到傳力端部應力累計起來較大。而且由于M2是向上傾斜，因此造成腹板上側應力較大，Von Mises達到140 MPa。底板應力較小。而且頂板開孔造成頂板處也應力較大。M1的應力除了大纜錨固點應力較大外，其余均較小。

圖5 鋼錨箱位移云圖

圖6 鋼錨箱Von Mises應力圖（俯視）

圖7 鋼錨箱Von Mises應力圖（仰視）

5 結語

浦東運河橋采用鋼錨箱將大纜錨固在主梁上，其構造形式新穎簡潔。通過鋼錨箱及錨固大纜的板殼及桿單元的計算分析，得出了鋼錨箱各部位的應力及變形分布圖。可以查看各個細節部位的應力，從而得知該部位的受力大小。因此通過有限元仿真計算，可以較為真實的把握結構的受力狀況，使得心中有數。通過計算結果可以幫助設計和其他相關人員理解其傳力途徑,認識到各部位的受力大小，從而給設計、制造[8]、試驗[9]提供很好的指導。

[1]OchsendorfJA,Billionton D P.Self-anchored suspension bridges[J].Journal of Bridge Engineering,ASCE,1999,4(3):151-155.

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[3]張哲,滕啟杰,邱文亮,等.一種新型自錨式懸索橋錨固構造設計與受力分析[J].大連理工大學學報,2004,44(6):844-847.

[4]邵旭東,鄧軍,李立峰,等.自錨固式懸索橋主纜錨固結構研究[J].土木工程學報,2006,39(7):81-87.

[5]謝卓君.自錨式懸索橋主纜錨固部位分析研究[D].四川成都:西南交通大學,2008.

[6]上海浦東建筑設計研究院有限公司.川環南路(曙光路～川南奉公路)新建工程浦東運河橋施工圖設計[Z].2007.

[7]鄭凱鋒,陳寧,張曉翹.橋梁結構仿真分析技術研究[J].橋梁建設,1998(2):10-15.

[8]王東明.自錨式懸索橋錨固區鋼錨箱的制造、安裝及定位技術[J].鐵道建筑技術,2009(10):26-28.

[9]阮家順,胡家春.陽邏大橋鋼錨箱焊縫超聲沖擊降低焊接殘余應力工藝試驗研究[J].鋼結構,2008,23(3):11-13.

U448.25

A

1009-7716（2017）12-0044-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.013

2017-10-16

黃智華（1981-），男，湖北浠水人，高級工程師，從事橋梁設計工作。