鋼管混凝土獨塔斜拉橋塔柱鋼錨梁設計與優化

劉道偉

摘 要：結合一座鋼管混凝土獨塔斜拉橋為背景，針對其特有鋼管混凝土塔柱結構特點，利用大型通用有限元軟件ANSYS對鋼管塔柱錨固區段進行建模分析計算。結合橋梁整體受力特征，分析最不利組合下錨固段應力分布規律。針對索塔鋼錨梁應力分布規律，優化錨固的結構形式及構件尺寸，得出優化后的鋼錨梁結構受力合理滿足規范要求。

關鍵詞：獨塔斜拉橋；鋼管混凝土塔柱；鋼錨箱

中圖分類號：U448.27 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）07-0090-03

1 橋梁概況

某市政橋為斜拉橋主橋采用獨塔雙索面預應力混凝土斜拉橋，跨徑組成為（100+100）m。橋面以上塔高62.0m，塔柱縱向中距5.5m。斜拉索在主梁上標準索距6.0m，主塔上間距2.5m。主橋結構見斜拉橋邊墩墩頂設置縱向活動支座，主塔與主梁相交處采取墩、塔、梁固結形式。如圖1所示。

主梁采用等高度倒梯形展翅箱梁，單箱五室斜腹板截面。箱梁頂寬29m，底板寬13m，懸臂長2.5m，箱梁對稱中心線處梁高2.85m。標準段箱梁頂板厚0.2m，底板厚0.25m，外腹板厚0.35m，中腹板為直腹板，厚0.45m。斜拉索錨固處均設一道橫梁，邊室橫梁厚0.30m，中室橫梁厚0.4m。

索塔為鋼管混凝土結構。下塔柱兩個Φ2800×30mm鋼管內灌C60微膨脹混凝土組成；在塔柱與斜拉索的錨固點處設置鋼錨梁。如圖2所示。

2 結構模型

本次計算使用大型通用有限元計算程序ANSYS。為更加真實的模擬局部子模型受力和邊界條件和盡可能減少計算量，先通過全橋桿系模型計算各種工況下整體受力，獲得最不利工況，然后將錨梁局部區域建立板殼和實體模型嵌入到整體模型之中，采用整體和局部子結構相結合方法，驗算最不利工況下局部的受力狀況。如圖3所示。

整體模型采用三維桿單元，橋墩底部采用固結的約束方式，在塔梁結合處與梁固結，再與橋墩上的節點耦合。斜拉索采用了三維桁架單元，彈性模量考慮了垂度效應的Ernst修正。鋼錨梁采用殼單元。

在整體模型的計算中，一共考慮了9種荷載工況，根據整體分析得到的各荷載工況下的斜拉索索力如圖4。在“恒載+活載+索塔升溫”工況3下，2號拉索的索力最大，錨梁局部模型采用該工況下的2號拉索索力。

3 鋼錨梁局部應力計算結果

在選擇的不利荷載工況對應的最大索力對索塔鋼錨箱進行局部實體分析，分析結果得到鋼錨梁應力分布規律如圖5所示：

在斜拉索錨頭直接作用處鋼錨梁腹板局部應力集中，最大Mises應力約250MPa；在底板與塔壁連接處局部應力集中，最大Mises應力約100MPa，底板應力較小；在鋼錨梁上頂板斜拉索錨頭直接作用處局部應力集中，最大Mises應力約180MPa，下頂板局部應力最大Mises應力約290MPa；鋼錨梁上層斜支撐板局部應力最大Mises應力約220MPa；鋼錨梁豎向加勁板局部應力最大Mises應力約100MPa，加勁板應力較小；鋼錨梁下層斜支撐板局部應力最大Mises應力約335MPa，下層斜支撐板局部應力較大，鋼錨梁下層斜支撐板表面與中面的應力比較，中面最大Mises應力約80MPa，可見支撐板的面外彎曲應力較大。如圖6所示。

由此可知，鋼錨梁的最大局部應力未超過屈服強度，結構處于彈性工作狀態。其中，下層斜支撐板由于面外彎曲引起的局部應力較大，底板與塔壁連接的角點處局部應力集中，結構還可以進一步優化。

4 鋼錨梁結構優化

針對下層斜支撐板由于面外彎曲引起的局部應力較大和底板與塔壁連接的角點處局部應力集中問題，對原設計做以下修改：

（1）在原設計的底板處添加圓弧倒角，以改善局部的應力集中。（2）將豎向的加勁板改為平行于斜拉索的方向，避免了加勁板對下層斜板的不利影響，同時可以對腹板起到加勁作用。

見圖7，優化后的鋼錨梁進行局部分析計算，計算結果表明在底板添加了圓弧倒角之后，應力集中沒有發生在角點處，對焊縫的疲勞有一定的改善作用。將豎向的加勁板改為平行于斜拉索的方向，有效的改善了下層斜支撐板受力狀況。

見圖8，鋼錨梁下層斜支撐板局部應力計算結果最大Mises應力約260MPa。修改方案的應力集中有了明顯的改善，最大Mises應力從335MPa降到260MPa。

5 結語

（1）鋼錨梁組成構件繁雜且受力狀況復雜，通過有限元軟件對鋼錨梁進行受力分析，得出鋼錨梁的應力分布規律，根據應力分布規律優化后的鋼錨梁結構設計是合理的。（2）通過對鋼錨梁斜支撐板及其腹板加勁板的受力分析，然后對加勁板位置及方向進行比較可以得出加勁板的布置盡量平行于斜支撐板，避免其交錯給斜支撐板受力帶來不利影響。（3）鋼錨梁底板與鋼管塔壁連接處受力復雜，容易出現應力局部集中，可采用增大鋼錨梁底板厚度或寬度的方式處理。

參考文獻

[1]劉士林，梁智濤等.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，2002.

[2]陳尚.矮塔斜拉橋索力優化設計及合理成橋狀態研究[M].西安：長安大學碩士學位論文，2013.

[3]胡偉.獨塔斜拉橋靜力分析和橋塔局部分析[M].合肥：合肥工業大學碩士學位論文，2014.

[4]謝永彰，鐘敏雄，高飛.矮塔斜拉橋索力在箱型主梁中分布規律研究[J].中南公路工程，2006，（02）158-160.

[5]虞廬松，朱東生.部分斜拉橋塔梁固結點局部應力分析[J].橋梁建設，2008，（01）54-57.