都江堰市青城大橋索梁錨固結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

劉大中

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引 言

簡支系桿拱橋由于水平力的自平衡，其對地質(zhì)條件要求低，且跨越能力大，在橋梁建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。在系桿拱橋的傳力路徑中，索梁錨固結(jié)構(gòu)是拱橋受力中的一個關(guān)鍵部位，其負責(zé)將主梁上的荷載傳遞到吊索上，索梁錨固結(jié)構(gòu)的可靠性關(guān)乎整座橋梁的正常使用。索梁錨固結(jié)構(gòu)的受力具有應(yīng)力分布集中、結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜等特點。

典型的索梁錨固結(jié)構(gòu)有四種形式：錨箱式、錨拉板式、錨管式和銷鉸式。其中，銷鉸式通過主梁上伸出的耳板與吊索連接，吊耳位于橋面以上，其構(gòu)造簡單、傳力清晰、施工便捷、便于檢修，但是銷孔處、耳板與主梁連接處應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯[1]。

1 工程概況

都江堰市青城大橋為老路改造工程，橋梁位于都江堰市青城大道跨越金馬河處，橋位受市域路網(wǎng)控制，為原址重建。

青城大橋計算跨徑為336m，與金馬河正交，橋梁全長350m，橋梁結(jié)構(gòu)形式為鋼拱鋼梁下承式簡支系桿拱橋。橫橋向由兩片拱肋組成，拱肋內(nèi)傾角度為12°，拱肋矢高為61m，矢跨比為1/5.5，拱軸線采用懸鏈線方程（m＝1.167）。拱肋采用鋼箱拱，陀螺形斷面，拱肋寬度為3.4m，拱肋高度由拱頂?shù)?.0m變化為拱腳的7.0m，拱肋高度按照1.5次拋物線變化（見圖1、圖2）。

圖1 青城大橋立面布置圖（單位：m）

圖2 青城大橋主梁標準橫斷面（單位：mm）

鋼梁由兩邊箱與中間正交異性橋面板及橫梁、挑臂組成，采用全焊接結(jié)構(gòu)，總長度346.9 m，道路中心線處梁高3.2m，雙邊箱截面尺寸為2.5～3.42m（寬）×2.93m（高）。鋼梁寬度為 40～47m，橫梁間距3m。鋼梁單側(cè)邊箱內(nèi)設(shè)4根系桿，全橋共8根系桿，系桿規(guī)格為Z n-5%A l-P E S-1670-7-211，系桿兩端采用錨梁式錨固構(gòu)造，系桿兩端采用冷鑄錨，兩端張拉。

全橋共設(shè)26對豎吊索，縱橋向間距為12m。吊索為鋅鋁鍍層平行鋼絲，吊索兩端采用冷鑄錨，規(guī)格為Z n-5%A l-P E S-1670-7-127、151兩種。吊索在拱端采用錨管式錨固構(gòu)造，在梁端采用銷鉸式錨固構(gòu)造，在拱肋內(nèi)部張拉。

2 索梁錨固節(jié)點構(gòu)造

銷鉸式錨固結(jié)構(gòu)根據(jù)其與腹板的連接方式有螺栓連接式[2]、腹板外伸式、插入式等結(jié)構(gòu)類型。該項目采用插入型銷鉸式錨固結(jié)構(gòu)，銷鉸式錨固結(jié)構(gòu)受力明確、便于施工，安裝過程在橋面上進行，操作空間大。在系梁內(nèi)部占用空間較少，能夠為系梁內(nèi)布置系桿留下足夠空間。另銷鉸式錨固結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)系梁縱向位移，銷軸能在縱橋向轉(zhuǎn)動，不產(chǎn)生次內(nèi)力（見圖3）。

圖3 索梁錨固結(jié)構(gòu)（單位：mm）

錨固結(jié)構(gòu)所有鋼材均采用Q345qD，耳板內(nèi)傾角度約12°，耳板在橫橋向的位置保持不變。上耳板厚度由14 cm漸變至4 cm，寬度60 cm，高度86 cm。下耳板厚度4 cm，寬度60 cm，高度約140 cm。在橫隔板及橋面板上開槽，將耳板插入橫隔板，并與橫隔板及橋面板焊接。在耳板側(cè)面布置三道側(cè)向加勁，以提供耳板的面外剛度，并改善耳板與橫隔板交叉處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3 索梁錨固節(jié)點有限元分析

根據(jù)全橋模型計算結(jié)果，運營狀態(tài)荷載基本組合下，計入結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1，各吊索最大索力4 100 kN。

由于主梁長度、寬度、高度均較大，需對模型進行局部精細化分析，建立節(jié)段有限元模型對銷鉸式錨固結(jié)構(gòu)進行受力分析。根據(jù)圣維南原理，采用18 m長的鋼梁節(jié)段可以保證錨固節(jié)點分析不受邊界條件影響。

計算軟件采用ANSYS，有限元模型如圖4、圖5所示，鋼板采用sh ell63單元模擬，節(jié)段模型豎向支承通過吊桿模擬，并在節(jié)段模型端部約束縱橋向的剛體位移。為減少計算量，此次分析未考慮銷軸與耳板的接觸效應(yīng)和耳板開孔的影響。

3.1 索梁錨固節(jié)點優(yōu)化設(shè)計

該項目索梁錨固節(jié)點設(shè)計時，對于耳板側(cè)向加勁板的設(shè)置有兩種方案：一種是僅布置兩側(cè)加勁板；另一種是布置兩側(cè)加勁板+中間加勁板。

圖4 節(jié)段幾何模型

圖5 節(jié)段有限元模型

為明確側(cè)向加勁板的作用，采用三種工況的模型進行對比，分別為工況一——不設(shè)側(cè)向加勁、工況二——僅設(shè)兩側(cè)加勁、工況三——設(shè)置兩側(cè)+中間側(cè)向加勁。三種工況的耳板應(yīng)力分布如圖6所示。

圖6 耳板Mises應(yīng)力分布

對三種工況下耳板應(yīng)力進行對比，工況一耳板大部分范圍超過鋼材許用應(yīng)力，工況三耳板內(nèi)力最小，工況二應(yīng)力居中。

由表1、表2的分析結(jié)果可知，耳板側(cè)向加勁能極大提高索力錨固節(jié)點的剛度。僅布置兩側(cè)耳板即可使錨固節(jié)點應(yīng)力在規(guī)范許可范圍內(nèi)。加設(shè)

表1 主要板件Mises應(yīng)力

表2 吊耳頂部橫橋向位移

一道中間側(cè)向加勁可以改善耳板、橫隔板等板件的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得節(jié)點受力更為合理。故同時布置兩道側(cè)向加勁和中間加勁為推薦構(gòu)造，鋼材用量略有增加，但是受力性能大為改善，體現(xiàn)了“好鋼用在刀刃上”的設(shè)計追求。

3.2 索梁錨固節(jié)點深化分析

鋼板厚度大于40mm的Q345qD許用應(yīng)力為260MPa，圖7、圖8為索梁錨固節(jié)點主要板件分析結(jié)果，應(yīng)力大于260MPa部分以灰色顯示。

圖7 局部有限元模型

圖8 局部Mises應(yīng)力

索梁錨固區(qū)總體來看，大部分板件內(nèi)力均較小，較大應(yīng)力點均在截面突變及集中荷載作用點。系梁內(nèi)側(cè)腹板受力較大，外側(cè)腹板受力較小。吊桿集中力大部分通過耳板傳遞到系梁橫隔板。一部分通過側(cè)向中間加勁板傳遞到系梁橫隔板，還有一部分通過兩側(cè)的側(cè)向加勁傳遞到橋面板及系梁橫隔板。

耳板在銷軸錨固位置由于集中力作用，應(yīng)力集中明顯。耳板與橫隔板相交處由于截面有一定變化，考慮到中間側(cè)向加勁的有利影響，應(yīng)力集中現(xiàn)象有所改善。耳板最下端由于耳板不連續(xù)，吊索力不再由十字形斷面?zhèn)鬟f，故而也有較大應(yīng)力集中。耳板除這三個部位外，受力相對較小（見圖9）。

圖9 耳板Mises應(yīng)力

橫隔板宏觀傳力路徑偏向于將豎向力傳遞至橫梁、內(nèi)腹板側(cè)。橫隔板最大應(yīng)力集中在中部與耳板下端相交處，為小范圍應(yīng)力集中點。通過在耳板根部設(shè)置小的延長半徑，可以明顯減小此應(yīng)力集中，限于篇幅此處不再詳述（見圖10）。

圖10 橫隔板Mises應(yīng)力

側(cè)向加勁板的應(yīng)力云圖顯示，橫橋向外側(cè)應(yīng)力大而內(nèi)側(cè)應(yīng)力小，這是由于錨固結(jié)構(gòu)橫橋向的彎矩引起的（見圖11）。由表2可知，兩側(cè)的側(cè)向加勁板能極大地提高錨固結(jié)構(gòu)的剛度，減小其在橫向的位移。從絕對值上來看，側(cè)向加勁板普遍應(yīng)力相對較小，均在材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)。

吊耳中間側(cè)向加勁板能夠改變耳板的整體傳力路徑，將耳板由一字形斷面過渡為十字形斷面，傳力路徑變得更為順暢，能夠極大地減小耳板與橫隔板相交處的應(yīng)力集中；同時對于系梁頂板的受力也作用明顯（見圖12）。

圖11 耳板兩側(cè)加勁板Mises應(yīng)力

圖12 耳板中間加勁板Mises應(yīng)力

綜合以上計算分析結(jié)果可知，耳板、橫隔板、加勁板除極少數(shù)區(qū)域由于應(yīng)力集中外，大部分區(qū)域應(yīng)力均小于鋼材許用應(yīng)力。通過合理的構(gòu)造，能夠改善局部受力，更有利于索梁錨固結(jié)構(gòu)的長期工作性能。

4 結(jié) 語

本文介紹了青城大橋索梁錨固節(jié)點的構(gòu)造細節(jié)，并對索梁錨固結(jié)構(gòu)進行不同構(gòu)造下的受力性能對比，分析出錨固結(jié)構(gòu)的合理構(gòu)造。通過對節(jié)點的有限元分析，獲得了索梁錨固結(jié)構(gòu)的受力特點：

（1）插入型銷鉸式錨固結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)系梁縱橋向位移，且占用系梁內(nèi)部空間較少。

（2）合理設(shè)置耳板兩側(cè)加勁，能夠極大改善索梁錨固結(jié)構(gòu)受力性能。

（3）插入式索梁錨固結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單、傳力清晰，但是在截面突變點應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。

（4）索梁錨固結(jié)構(gòu)由于截面變化點較多，通過合理的構(gòu)造，如設(shè)置加勁板、耳板延長板等，可以顯著改善局部受力性能。