大傾角組合梁斜拉橋索梁錨固區受力性能分析

劉聰偉

（上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司， 上海 200437)

0 引言

斜拉橋是一種組合體系梁橋，由主梁、橋塔和斜拉索組成。依據主梁材料的不同又可以分為混凝土斜拉橋、鋼-混組合梁斜拉橋、鋼斜拉橋和混合式斜拉橋等[2]。斜拉索的索力可分解成一個水平分力和一個垂直分力，水平分力通過索梁錨固結構傳遞給箱梁腹板和橫梁最后擴散到主梁全截面，垂直分力平衡上部結構產生的重力及車輛等荷載作用[3]-[4]。

斜拉橋之所以有很大的跨越能力，是因為斜拉橋的拉索相當于給斜拉橋的主梁增設了很多的彈性支撐，這樣可以減少主梁彎矩、降低截面尺寸，從而達到跨越能力的提升。與懸索橋相比較，斜拉橋無需錨碇裝置，抗風性能好，通過調整索力來控制主梁內力，使主梁的受力更加合理，懸臂施工的方法施工方便，因此斜拉橋得到眾多橋梁設計師的青睞。

近代斜拉橋橫截面寬度和跨度都比較大，主梁的截面形式也是多種多樣，因此斜拉橋的整體和局部受力都比價復雜，而一些橋梁事故更是表明，只注重橋梁的整體計算安全而忽略了局部結構的安全性是不可靠的，需要得到改進。因此在進行橋梁結構的整體分析之后，還需要對斜拉橋局部受力較大，受力比較復雜的區域進行局部分析，這樣做可以使我們明確局部區域的詳細受力情況，同時還可以根據受力情況優化設計，確保結構安全。

而對于斜拉橋而言，索梁錨固區的設計和計算是重點和難點，這是因為隨著社會的發展，斜拉橋跨徑的增大，斜拉索的索力不斷增大，現在最大已經能夠達到“千噸”級別，那么拉索傳遞來如此巨大的集中索力，將會直接影響錨固結構的變形和應力分布情況，如何將巨大的索力安全的擴散到主梁上，并有足夠的耐久性能是我們必須重視的問題，如果結構不能有效的將索力擴散并傳遞到主梁上，就會造成局部結構的破壞，從而危機全橋安全。另外在進行斜拉橋的設計和計算時，由于索梁錨固區的形式結構多樣，受力復雜性，使得采用傳統的線性和平面的分析方法已經不能滿足計算要求，無法精確的反應索梁錨固區的實際工作狀態。

1 索梁錨固區的連接形式

隨著計算機計算能力的提升和計算理論的不斷完善，斜拉橋得到飛速的發展，對于斜拉橋的錨固形式也是多種多樣。目前，鋼箱梁或鋼-混組合梁斜拉橋常用的的拉索與主梁的連接形式有：

（1）耳板式連接形式：也稱為銷鉸連接，這種連接形式需要將兩塊耳板焊接在鋼箱梁頂板上，然后在主梁的頂板下設置一些加緊肋板，斜拉索鉸接在耳板的銷孔上，這種構造結構簡單，銷鉸通過耳板將索力傳遞到主梁腹板上，我國的深圳灣公路大橋采用的這種錨固形式。

（2）錨拉板式連接形式：這種連接形式主要由錨拉板、承壓板、錨管和加勁板組成。首先需要在錨拉板上開槽，將承壓板和錨管焊接在槽口上，錨拉板下部焊接在鋼箱梁上，此外還需在錨拉板與錨管連接處和錨拉板與主梁連接處設置加勁板來增加結構剛度，索力通過錨拉板將離力傳遞到主梁上，我國的青州閩江大橋采用的這種錨固形式。

（3）錨管式連接形式：這種連接形式主要由錨管、加勁肋和上下蓋板組成。將錨管焊接在箱梁和橫隔板上面，拉索錨固在錨管的底部，拉索通過錨管將索力傳遞到主梁上，我國天津的海河大橋采用的這種錨固形式

（4）鋼錨箱連接形式：此種連接形式應用較廣，此種連接形式主要由承壓板、錨墊板、傳力板和一些加勁肋板等焊接成一個整體，再將焊接成的整體焊接在鋼箱梁的外腹板上面，這種方法主要依靠傳力板焊縫剪力來傳力，索力通過外置的鋼錨箱傳遞到主梁腹板和頂板上，一般大跨徑的鋼梁斜拉橋常常采用錨箱作為索梁錨固區的錨固形式，這樣做可以使受力明確、構造簡單，而且后期養護維修方便[4]，我國的上海楊浦大橋、溫州鰲江特大橋等采用這種錨固形式。

斜拉橋的索梁錨固區的設計還要考慮多種因素，如施工工藝的可行性、防銹蝕能力、后期維修養護以及斜拉索的更換等等。

2 工程背景

某跨海斜拉橋橋主橋是跨徑布置為38.9m+70m+238m+70m+38.9m=455.8m 的雙塔雙索面斜拉橋，橋面寬度為37m。荷載標準為城-A 級，人群荷載按照《城市橋梁設計規范》取用，考慮防洪、通航和抗震要求，主橋采用半漂浮體系，主梁在橋塔兩側橫梁、輔助墩、邊跨交接墩位置均設置縱向活動支座，在橫向單側設置固定支座，并在邊跨部分區域設置壓重。主塔橫橋向采用改進的寶石型橋塔，順橋向由頂部單根塔柱過渡為兩根，采用混凝土塔。主梁為鋼—混凝土組合梁，斜拉索為雙索面，采用扇形索面布置。全橋立面布置圖如圖1 所示。

圖1 主橋立面布置圖（單位：mm）

該橋鋼錨箱置于主梁腹板外側，由于該橋寬度較大，達到37m 寬，造成拉索傾角很大，使得索梁錨固區的受力更加復雜，橫橋向受力較大，索拉力對主梁腹板產生較大彎矩，鋼錨箱加勁板頂端形成“刺穿”效應，使該處腹板向內凹陷，產生較大應力。

3 有限元模型的建立與分析

有限元理論的方法就是先在每一個單元上假定一個近似解，然后求解區域內的平衡條件，最后求出我們要的解。雖然這個解有可能是一個近似的解，但精度足夠高，滿足我們的工程需要，是一個有效的方法。對于本橋來講，采用有限元方法計算索梁錨固區受力特性，分析其受力特點，對后期的優化等有著重要的意義。

為了得到索梁錨固區的受力情況，應選取索力最大的錨固區和主梁研究。根據圣維南原理，為了數據的準確性，選取錨固區縱向長度24.125m 進行模擬計算，按照構件實際尺寸大小和邊界條件應用有限元軟件Midas/Fea 建立三維實體模型，其模型如圖2 所示。

圖2 索梁錨固區有限元

計算在最大索力作用下，索梁錨固區的應力水平如圖3、圖4 所示，由圖可以看出，錨箱錨墊板應力值較大，達到300Mpa 左右，此外承壓板附近加勁板也有應力集中現象，但最突出的是錨箱與主梁腹板接觸處應力值，傳力板與腹板接觸處端部應力達448.7Mpa，因此，為了能夠清晰準確的反應錨固區應力的分布情況，通過分析，選取鋼錨箱與主梁接觸處的三段A～C 段進行具體分析。

圖3 錨固區應力圖

圖4 錨箱應力結果圖

由圖3、圖4 可以看出，A 段～C 段應力水平較高，特別是端部應力，其中A段應力最大值為223 MPa，最小應力值也達到了119MPa，B 段應力最大值為375.3 MPa，C 段應力最大值為448.7MPa，由圖5 可以看出，對于傳力板B 段和C 段中部應力分布比較均勻且應力值較小，但隨著距離的提升應力水平呈現指數增長，特別是B 段和C 段端部的應力值已經超過材料容許值，必須盡快的找到方法來降低索梁錨固區的應力以達到安全的目的。

通過分析，通過調整鋼板厚度、調整拉索傾角或加端部鋼板的方法可以降低索梁錨固區應力水平，其優化后錨箱A 段～C 段應力水平變化值如圖5、圖6 所示。

圖5 A 段應力結果對比

圖6 B、C 段應力結果對比

由圖5、圖6 可以看出，通過上述的方法有效的降低了錨固區的應力水平，優化后A 段～C 段最大應力值分別為113.4MPa、161.5MPa、178.0MPa。與優化前相比應力值分別減少了109.6MPa、213.8MPa、270.7MPa，優化效果明顯，為今后大傾角組合梁斜拉橋的優化提供借鑒。

4 結論

通過研究分析某跨海斜拉橋索梁錨固區的受力情況得到如下結論：

（1）大傾角斜拉橋鋼錨箱受力時在出錨墊板之外，主梁與腹板接觸處應力值較大，特別是傳力板端部應力大。

（2）采用調整板厚、調整拉索傾角或加端部鋼板的方法可以有效降低錨固區應力水平，保證結構的安全。