某索輔梁橋錨箱受力分析

劉麗琦

（中國電建集團城市規劃設計研究院有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

隨著城市化發展，單一的混凝土梁橋已經不能滿足審美的需求，采用鋼箱梁的斜拉橋、懸索橋、拱橋等也因為其豐富的造型出現在了城市里，雖然其跨徑往往只在80~200m的區段。梁橋作為主要受力構件，承擔結構的大部分荷載，剩下的荷載可以由拉索承擔，所以對于中小跨徑的橋梁，索輔梁橋是一個很好的綜合了受力、經濟與景觀的選擇。伴隨著拉索體系出現的常態化，拉索和主梁的錨固也從大橋運用到了中小橋梁上。本文的橋梁采用索輔式懸索梁橋體系，主纜通過錨箱錨固于端橫梁上，錨箱與主梁之間的受力比較復雜，為了分析錨箱的傳力途徑與受力，保證錨箱與結構的安全，往往需要對錨箱局部采取有限元分析。本文中的錨箱錨固于頂板之上，而且板件處于單邊焊接狀態，主受力方向的長度與板厚之比最小的可達9:1，因此筆者對錨箱建立了實體單元模型，以期更好地對錨箱的應力分布做出分析。

1 拉索錨固的主要形式

拉索的錨固系統保證了纜索和主梁之間的力的傳遞，常見的錨固方式詳見圖1，從左到右依次為錨箱式連接、錨管式連接、耳板式連接和拉板式連接。錨箱連接主要是指人為通過鋼板焊接一個錨固塊，將錨固塊焊接于主梁腹板之上，鋼錨箱的傳力途徑主要是拉索的索力通過墊板作用于底板上，傳遞給錨固板，通過錨固板、加勁肋、底板的共同作用傳遞給主梁。采用錨管連接主要是在主梁結構上安裝一根鋼管，拉索力直接作用于主梁上，無偏心彎矩會產生。耳板式連接則是將耳板或焊接或栓接在主梁上，拉索通過連接器與耳板相連，耳板式連接可傳遞的索力較小，適用于索力不大的結構中。錨拉板連接是將剛把作為錨拉板直接焊在主梁上方，并且將錨管焊接與錨拉板槽口內[1]。

圖1 拉索典型錨固形式[1]

2 工程概況

文中項目位于中山，采用墩梁固結的單索面索輔梁體系；主塔采用Q345q鋼箱結構，寬2.0m，高1.4~2.6m；加勁梁采用Q345q鋼箱結構，總體為（38+24+38）m連續剛構，寬32.2m，高2.0m；主纜采用PES7-139熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索（1670MPa）；吊桿采用PES7-109型吊桿（1670MPa），吊桿間距4m，全橋設置12根吊桿。主纜通過鋼錨箱錨于梁端，圓形墩塔底部與承臺固結，承臺下設置鉆孔灌注樁基礎。該橋總體布置參見圖2，斷面形式參見圖3。

圖2 總體布置

圖3 標準橫斷面

3 技術指標

該橋采用城-A級汽車荷載，綜合考慮人群荷載、溫度效應、地震與沉降等工況后，主纜基本組合狀態下拉力設計值為1935kN。

根據設計，主纜采用錨箱形式錨固于橋面板上，大樣圖參見圖4。錨箱錨固板厚度為40mm，頂板厚度為24mm，承壓板厚度為40mm，錨墊板厚度為40mm，加勁板厚度為24mm，錨箱和主梁之間的夾角為8°。

圖4 錨箱大樣

4 結構計算

4.1 總體模型

錨箱局部受力復雜，用MidasFEA做了實體單元的局部分析，模型參見圖5。錨箱底板單元尺寸采用了10~20mm，承壓板和加勁肋單元尺寸為20~50mm，單元厚度統一采用10mm，模型底部和端橫梁固結，所以局部模型底部采取固結支座，從整體模型提取最大拉索力1935kN，設計值為基本組合的包絡值。考慮1.1的結構安全系數，板的設計強度為270/1.1=245MPa（16mm以上板厚）。

圖5 有限元模型

4.2 錨固界面反力驗算

根據反力分析可知，反力圖示見圖6，從左到右依次為順橋向反力，橫橋向反力，豎向反力，計算可得橫向支座反力為3.2kN/20mm=160kN/m，6.7kN/20mm=335kN/m，豎向拉力反力為11kN/20mm=550kN/m。錨箱與鋼梁之間采用全融透焊，焊縫設計值均小于承載力，焊縫安全可靠。

圖6 錨箱反力

4.3 應力分布

應力分析結果詳見圖7~圖10，為了仔細分析應力的分布，結果分別展示了<100MPa，100MPa～200MPa，200MPa～250MPa，245MPa～486MPa的應力分布，從Von-Mises應力分析云圖可以看出以下幾點。

圖7 整體應力分布

圖10 <100MPa板塊應力分布

圖8 245~486MPa板塊

圖9 100～250MPa板塊應力分布

（1）整體有效應力有12%大于270MPa，最大應力為486MPa，均出現在錨頭施加壓力處，同時也是底板開洞的外表面處，所以此處發生了應力集中，應力處于245~486MPa區段，從應力分布看，底板應該發生較大彎曲變形，建議此處優化剪力板位置，盡可能在孔洞邊緣布設。同時可適當加大錨墊板的外尺寸和錨墊板厚度，更好的保證索力的分散。

（2）除承壓板以外的構件應力均處于250MPa以內，其中，錨箱錨固板和底板內邊緣50mm范圍以內的有效應力處于200~250MPa區間，關鍵焊縫連接處也處于應力集中現象發生區段。100mm范圍內處于100~200MPa區間。

(3）錨箱剩余部件應力均小于100MPa，整體結構安全可靠。

5 結論

（1）錨箱底板與錨固板和加勁肋之間的焊縫處于應力集中區，采用熔透焊縫連接的時候應注意焊縫質量，保證力的有效傳遞。

（2）錨箱底板受力復雜，根據結果顯示，底板存在一定的彎曲變形，沿板厚方向各層存在互相擠壓現象。承壓板應盡量貼近錨管孔布置，且在底板之下應設置墊板，保證拉索力在底板上分散傳播。并應于頂板下方錨固板對應位置設置加勁板以共同承擔偏心引起的彎矩。

（3）錨固板和加勁板的應力在靠近底板的區域大，遠離底板的方向逐漸減小，設計時要注意板的有效長度保證力的傳遞。

（4）錨箱體系傳力明確，安全可靠，本文雖為分析主梁的應力，但從反力結果可看出錨箱作用于主梁的力并不十分顯著，所以對于索輔梁橋中相對較小的拉索體系，該錨固形式可以安全應用在工程設計中。