空間索面鋼桁梁斜拉橋索桁錨固結構設計與受力特性研究

劉勇，程麗娟，盧立志，崔劍峰

空間索面鋼桁梁斜拉橋索桁錨固結構設計與受力特性研究

劉勇1, 2，程麗娟1，盧立志1，崔劍峰1

(1. 湖南省交通規劃勘察設計院有限公司，湖南 長沙 410219；2. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

索梁錨固結承受斜拉索巨大拉力，再將索力勻順地傳遞至鋼主梁，該結構的可靠性將影響到整個橋梁結構的安全。以長沙銅靖湘江大橋為工程背景，基于空間索面斜拉索及主桁相對位置關系，結合索桁錨固結構受力特性，研發適用于斜拉索任意空間角度變化的索桁錨固結構。建立空間板殼元模型，研究空間索面鋼桁梁斜拉橋索桁錨固結構的受力特性。研究結果表明：該索桁錨固結構具有良好的空間角度變化適應性、良好的整體受力性能和抗疲勞性能；內外側錨拉板受力協調合理，焊縫開裂風險極??；鋼錨箱受力明確，應力擴散途徑通暢。新型索桁錨固結構可為類似工程提供參考。

空間索面；索桁錨固；鋼桁梁斜拉橋；疲勞荷載；板殼元模型

隨著綠色公路、綠色橋梁觀念的推廣與深入，因兼具鋼結構綠色環?？裳h利用、體現人車分離理念、承載能力和跨越能力大等優勢，鋼桁梁被廣泛應用于大跨度斜拉橋主梁[1]。由于空間索面斜拉橋索塔造型不受限制，相較于平行索面斜拉橋通常更具有造型美觀、氣勢雄偉等特點?；谝陨蟽烖c，大跨度空間索面鋼桁梁斜拉橋在城市大跨度橋梁中得到了廣泛應用。在鋼桁梁斜拉橋領域中，索梁錨固連接處理是設計的重要關鍵。索梁錨固結構的作用是承受斜拉索巨大拉力，再將索力勻順地傳遞至鋼主梁，該結構的可靠性將影響到整個橋梁結構的安全。索梁錨固結構在小范圍內需傳遞巨大的索力，應力集中現象突顯，受橋梁結構活載反復作用，索梁錨固結構極易產生疲勞等問題[2?3]。因此，研究出與斜拉索和主梁布置形式相匹配的索梁錨固結構，使空間索面斜拉索的索力傳遞路徑明確可靠，避免運營期間反復疲勞荷載作用下產生病害甚至失效，是確保橋梁結構安全的關鍵[4?7]。目前，對于斜拉橋索梁錨固結構的研究大都集中在大跨度鋼箱梁斜拉橋及平行索面鐵路鋼桁梁斜拉橋[8?10]。而大跨度空間索面鋼桁梁斜拉橋索梁錨固結構的研究尚未見諸報端。為解決既有索梁錨固結構無法適應大跨度空間索面鋼桁梁斜拉橋索梁錨固的難題，以長沙銅靖湘江大橋為工程背景，基于空間索面斜拉索及主桁相對位置關系，結合索桁錨固結構受力特性，研發適用于斜拉索任意空間角度變化的索桁錨固結構，研究該索桁錨固結構的受力特性，并基于分析結果對設計提出若干優化建議。

1 索梁錨固結構研究現狀

1.1 常規斜拉橋索梁錨固結構

鋼主梁斜拉橋常見的索梁錨固結構有：鋼錨箱式、錨拉板式、耳板式和錨管式等4種類型[11]。

鋼錨箱式索梁錨固結構是：采用錨固梁板與主梁腹板連接后，再將斜拉索錨固在錨固梁板上；錨拉板式索梁錨固結構是：采用一塊斜向厚鋼板作為主要受力構件?錨拉板，并在錨拉板開設槽口焊接錨管，斜拉索錨固于錨管下端的錨板上，錨拉板與主梁頂板或腹板連接；耳板式索梁錨固結構是：通過主梁腹板延伸出耳板，再將斜拉索通過鉸與耳板連接；錨管式索梁錨固結構是：在腹板上開設槽口固定錨管，再將斜拉索錨固于錨管下端。

上述常規索梁錨固形式均依靠單腹板傳遞索力，如鋼桁梁采用弦桿單腹板傳力，將在弦桿中形成巨大扭轉作用，因此主要應用于鋼箱梁結構中，而在鋼桁梁結構中不再適用。

1.2 鐵路鋼桁梁斜拉橋索梁錨固結構

針對平行索面鐵路鋼桁梁斜拉橋，常采用內置式鋼錨箱錨固結構、貫穿式拉索錨固結構和整體復合式索梁錨固結構[11]。

內置式鋼錨箱錨固結構的具體做法為：在主桁的上弦內設置鋼錨箱，將斜拉索錨固于鋼錨箱下端的錨墊板上。該種索梁錨固結構需在主桁上弦頂板上開洞，削弱了主桁的整體性；錨固端在上弦桿內，操作空間狹窄，給施工及維修養護工作帶來不便。

貫穿式拉索錨固結構的具體做法為：在鋼桁梁上弦節點板間設置錨固板，與節點板形成箱體，將穿過主桁節點的斜拉索錨固于節點板下方。該種索梁錨固結構需在主桁上弦頂、底板開洞，削弱了主桁的整體性；斜拉索穿過的桿件及節點構造復雜，施工難度較大；斜拉索錨固端在上弦桿下方，運營期間通達性較差，檢查及管養難度大。

整體復合式索梁錨固結構的具體做法為：將上弦兩側節點板向上延伸形成一對錨拉板，再在其間固定井字形承壓結構，斜拉索錨固于承壓結構下端的錨墊板上。該種索梁錨固結構無法適用于空間索面鋼桁梁斜拉橋的索梁錨固要求，且板件類型較多，加工制作較為復雜，承壓板加勁構造外置，造型不夠簡潔、美觀，難以保證防腐涂裝施工質量，為運營期間鋼結構耐久性留下隱患。

以上鐵路鋼桁梁斜拉橋索梁錨固形式均針對平行索面鋼桁梁設計，對斜拉索的面外角度變化無法適應或適應性很差。

2 空間索面索桁錨固結構設計

2.1 工程背景

長沙銅靖湘江大橋主橋采用(67.5+120+300 +120+67.5) m寶瓶形雙塔空間索面鋼桁梁斜拉橋，采用雙層橋面結構，上層橋面為雙向6車道，荷載等級：城-A，下層橋面為非機動車和行人通道。標準橫斷面如圖1所示。

圖1 斜拉橋標準橫斷面

主梁采用N形的雙主桁，并在上層橋面設置斜撐桿和邊上弦，形成倒梯形斷面。斜拉索錨固于邊上弦桿，邊上弦為箱形截面，桿件內寬1 000 mm，高1 200 mm。由于索塔的寶瓶外形及主桁斷面決定了主橋的斜拉索為空間索面，同時雙層橋面的荷載較大，對索桁錨固結構的空間適應性和受力性能提出了極高的要求和極大的挑戰。

2.2 索桁錨固結構設計

基于對現有索梁錨固結構的特點及適應性分析，針對大跨度空間索面鋼桁梁斜拉橋的特點，經過多方案的對比分析，提出一種適用于斜拉索空間角度變化的索桁錨固結構。

該空間索面索桁錨固結構由2塊與主桁上弦腹板內側對齊的傾斜錨拉板、焊接在錨拉板之間的整體密閉鋼錨箱以及鋼錨箱內與斜拉索軸線重合供斜拉索穿過的鋼套管組成。立面上斜拉索軸線與主桁節點交匯，剖面上斜拉索軸線相對上弦系統線設置預偏，以保證斜拉索到兩側錨拉板間的距離相等，如圖2所示。

圖2 索桁錨固結構構造

由錨下支承板N4、1對橫橋向承壓板N5和1對縱橋向承壓板N6構成承壓結構體系；錨下支承板N4和橫橋向承壓板N5兩側與傾斜錨拉板N1、N2焊接。

承壓結構前端焊接有錨墊板N3，后端焊接封閉板N7，承壓結構體系、傾斜錨拉板與封閉板焊接形成封閉的箱形錨固結構，如圖3所示。

圖3 空間索面索桁錨固結構效果圖

該結構可根據斜拉索空間角度變化，調整錨拉板高度，以保證鋼錨箱與錨拉板間的承壓抗剪面積；調整錨拉板上下擴散角度，獲得錨拉板與上弦桿間合理的承拉面積；根據不同索力調整錨拉板板厚，有利于節省材料用量。

與常規索桁錨固結構相比，空間索面索桁錨固結構的構造特點決定其具備以下優勢：

1) 具有良好的空間角度適應性。傾斜式錨拉板與整體式鋼錨箱組合形成的索梁錨固結構，通過錨拉板焊接于鋼桁梁上弦頂板上，橫橋向傾角與斜拉索一致，有效解決了現有索梁錨固結構的無法適應鋼桁梁斜拉橋空間角度變化的斜拉索錨固的缺點，避免了內、外錨拉板受力不均及存在面外力的 問題；

2) 結構的傳力路徑明確、簡短。該空間索面索桁錨固結構的傳力路徑為：索力通過錨下支承板和承壓板，將力傳遞到與斜拉索平行的錨拉板上，再由錨拉板直接傳遞到上弦腹板，從而將索力傳遞到上弦節點(上弦桿及斜、豎腹桿)。

3) 施工簡便，質量可控。封閉式鋼錨箱與主桁上弦桿、傾斜式錨拉板焊接形成整體，空間布置合理，板件構造簡潔、類型精簡，易于加工制造，焊接工作量少，有效承壓、抗剪面大，無應力集中等薄弱節點。

4) 可通可達，便于管養。斜拉索錨固于橋面以上，索梁錨固結構及斜拉索錨頭便于運營維護，具有良好的可達可修特性。

5) 簡潔美觀。鋼錨箱前端為整體式支承墊板，且縱向承壓板加勁構造置于鋼錨箱內，結構外觀造型美觀，構造簡潔，易于保證涂裝施工質量。

3 空間索面索桁錨固結構有限元分析

3.1 算例簡介

為研究空間索面鋼桁梁斜拉橋索桁錨固結構的受力性能，驗證結構的空間角度適應性、受力可靠性等特性，以長沙銅靖湘江大橋的索桁錨固結構為例，建模分析錨固結構的受力特點。

內外側錨拉板N1和N2均采用30 mm厚Q420qD Z25鋼板，錨拉板上端寬700 mm，并以10°角向兩側延伸，錨拉板下端與邊上弦頂板焊接，前后均設置圓弧過渡段。

錨墊板根據索力大小采用600~700 mm的帶圓孔方形鋼板，厚度為60~80 mm，材質為Q420qD鋼板；錨下支承板、承壓板采用40~50 mm厚Q420qD鋼板，與錨拉板內邊距同寬；封閉板及鋼套筒采用Q235鋼材，板厚分別為12 mm和8 mm。

基于全橋整體計算結果，選取索力和索力變化幅度均較大的B13號索對應的BM13號索桁錨固結構進行計算分析?；诖苟刃拚罄髁憾丝臻g角度，計算梁端錨點處拉索方向向量，BM13號索桁錨固結構的空間角度方向向量及各個荷載工況下的索力如表1所示。

3.2 空間有限元模型

基于大型通用有限元軟件ANSYS平臺，編制空間索面索桁錨固結構參數化通用有限元程序，建立索桁錨固結構板殼元分析模型。

表1 BM13號索桁錨固結構計算參數表

模型坐標系統與橋梁整體坐標系相同，即以主跨跨中高程0點為坐標原點，坐標以順橋向大里程方向為正，坐標以橫橋向指向左側為正，坐標以豎直向上為正。有限元模型中各個板件采用Shell 63單元進行模擬，通過實常數控制板件厚度，材料彈模=2.06×105MPa，泊松比=0.31。

為避免錨拉板與上弦桿頂桿連接處倒角出現奇異單元，并消除邊界約束條件對局部計算結果的影響，在錨拉板下緣建立一定高度的板條，并將固結約束施加于板條下緣。根據斜拉索錨具實際尺寸，將索力換算為平行于拉索的均布面荷載，施加于錨墊板接觸區域。模型共劃分41 552個單元，42 375個節點。有限元模型如圖4所示。

圖4 索桁錨固結構板殼元模型

3.3 索桁錨固結構承載能力

在承載能力組合作用下，內外側錨拉板主應力分布如圖5所示。

內外側錨拉板主應力分布較為一致，其主應力最大值分別為157.42 MPa和158.52 MPa，相差僅為0.69%，應力水平基本相當，錨拉板應力云圖顯示其應力傳遞較為勻順，應力分布較為合理。

內外側錨拉板與上弦桿的焊縫應力對比如圖6所示。

圖5 承載能力組合作用下錨拉板主應力

圖6 承載能力組合作用下錨拉板焊縫主應力

2錨拉板的焊縫應力分布趨勢相同，錨拉板與上弦焊接區域應力水平在0~84.6 MPa之間。

錨拉板應力計算結果表明：空間索面索桁錨固結構能很好地適應斜拉索的空間角度變化，內外側錨拉板的受力基本協調，受力狀態良好，其應力水平不控制設計。

在承載能力組合作用下，鋼錨箱結構的主應力分布如圖7所示。

鋼錨箱結構對稱受力，傳力路徑明確，鋼錨箱結構的最大主應力為216.56 MPa，最大應力點出現在承壓板靠近錨具作用區域。鋼錨箱板件規則、構造簡潔、受力明確。

綜上所述，空間索面索桁錨錨固結構各個板件的應力分布均較為勻順，僅在承壓板、錨下支承板與錨拉板焊接區域存在小范圍應力集中區域。由于承壓板、錨下支承板均與兩側錨拉板焊接，結構的承壓抗剪面積較大，應力集中效應極為有限。

圖7 承載能力組合作用下鋼錨箱主應力

3.3 索桁錨固結構抗疲勞特性

斜拉橋索桁錨固結構承受斜拉索應力幅內的反復疲勞荷載作用，以斜拉索應力幅值作為荷載計算索桁錨固結構的抗疲勞特性。

在疲勞荷載組合作用下，內外側錨拉板主應力分布如圖8所示。

圖8 疲勞荷載組合作用下錨拉板主應力

最大值分別為17.97 MPa和18.21 MPa，相差僅為1.32%；內外側錨拉板主應力均在18.21 MPa以內，約為承載能力組合作用下應力水平的11.5%。

內外側錨拉板與上弦桿的焊縫應力對比如圖9所示。

2錨拉板的焊縫應力分布趨勢相同，錨拉板與上弦焊接區域應力水平在0~9.69 MPa之間，遠低于結構的疲勞極限，焊接區域的開裂風險極小。

圖9 疲勞荷載組合作用下錨拉板焊縫主應力

在疲勞荷載組合作用下，鋼錨箱結構的主應力分布如圖10所示。

圖10 疲勞荷載組合作用下鋼錨箱主應力

鋼錨箱應力水平在24.83 MPa以內，約為承載能力組合作用下應力水平的11.5%；結構應力擴散途徑較為通暢，板件交匯點無明顯應力集中現象。

4 結論

1) 空間索面索桁錨固結構能很好地適應斜拉索的空間角度變化，結構的傳力路徑明確，空間布置合理，施工、管養方便，結構外型簡潔。

2) 空間索面索桁錨固結構具有良好的整體受力性能和抗疲勞性能；內外側錨拉板受力協調合理，無明顯應力集中現象；錨拉板疲勞應力幅遠低于結構的疲勞極限，焊縫開裂風險極??；鋼錨箱板件規則、構造簡潔、受力明確，應力擴散途徑較為通暢。

空間索面索桁錨固結構已成功應用于長沙北橫線銅靖湘江大橋中，受力及景觀效果良好，可為類似工程提供參考。

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Study on cable-truss anchorage structure design and mechanic behaviors analysis in steel truss girder cable-stayed bridge with spatial cable planes

LIU Yong1, 2, CHENG Lijuan1, LU Lizhi1, CUI Jianfeng1

(1. Hunan Provincial Communication Planning, Survey & Design Institute Co., Ltd, Changsha 410219, China;2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Cable-girder anchorage structures bear huge tension from stay cables, and transmit the forces to steel girders well-distributed. So, the anchorage structures’ reliability plays a significate role in the whole bridge safety. Based on the relative location relationship between spatial cables and truss, the Changsha Tongjing Xiangjiang River Bridge was cited as an example in this paper. Taking the mechanic behaviors of cable-truss anchorage structures in consideration, the cable-truss anchorage structure was developed, which was adapted to spatial cable planes. The mechanic behaviors of cable-truss anchorage structure in steel truss girder cable-stayed bridge with spatial cable planes were studied by building shell element models. The results show that the developed cable-truss anchorage structure possess good adaptability to spatial angles of cables. Meanwhile, the cable-truss anchorage structure is provided with good overall mechanical properties and fatigue resistance. The tensile plates are stressed harmoniously, and the weld line’s cracking risk is minimal. The steel anchor boxes are stressed definitely, and the stresses’ transmission routes are clear. The new type of cable-truss anchorage provides a conference for similar engineering.

spatial cable planes; cable-truss anchorage; steel truss girder cable-stayed bridge; fatigue loads; shell element model

U443

A

1672 ? 7029(2019)11? 2759 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.11.015

2019?01?22

交通運輸部建設科技項目(2013318798320)；HNCDI科技計劃項目(2018118)

程麗娟(1979?)，女，江蘇灌南人，高級工程師，從事特殊橋梁結構設計研究；E?mail：l307967240@qq.com

(編輯 涂鵬)