空間索面自錨式懸索橋鋼錨箱構(gòu)造和受力分析

吳 峰，封 偉

(西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710068)

0 前 言

自錨式懸索橋不需要龐大的錨錠，而是把主纜錨固在加勁梁的兩端，由加勁梁承擔(dān)主纜的水平分力。該水平分力通過主纜錨固區(qū)逐漸傳遞給整個(gè)加勁梁，因此，主纜錨固區(qū)是自錨式懸索橋傳力關(guān)鍵區(qū)域，其構(gòu)造合理，傳力明確、順暢是設(shè)計(jì)基本要求。主纜錨固區(qū)常見的錨固方式有混凝土結(jié)構(gòu)錨固和鋼結(jié)構(gòu)錨固兩種。混凝土錨固方式體積大，需要在梁內(nèi)現(xiàn)澆混凝土，但在承受水平力的同時(shí)可以憑混凝土自重平衡主纜產(chǎn)生的豎向分力；鋼結(jié)構(gòu)錨固方式可以在工廠預(yù)制，現(xiàn)場安裝，但需要在鋼箱梁內(nèi)配置壓重以平衡主纜的豎向分力。目前大跨度自錨式懸索橋加勁梁多采用扁平鋼箱梁，在此情況下，若使用混凝土錨固，則需要在鋼箱梁和混凝土結(jié)構(gòu)間設(shè)置復(fù)雜的鋼混結(jié)合段。若使用鋼結(jié)構(gòu)錨箱，直接通過鋼錨箱將水平分力傳遞給鋼箱梁，無需結(jié)合段，但鋼錨箱構(gòu)造復(fù)雜，應(yīng)力集中問題嚴(yán)重，需要探索的問題較多。本文以西安市建材北路跨灞河空間索面自錨式懸索橋?yàn)閷?shí)例，介紹鋼結(jié)構(gòu)錨箱的構(gòu)造形式和受力分析。

1 總體設(shè)計(jì)概況

建材北路跨灞河橋，結(jié)合橋址區(qū)地形、交通及地質(zhì)情況，選用了自錨式懸索體系。主橋?yàn)殡p塔三跨，跨徑布置為50+116+300+116+50(m)(見圖1)，橋面總寬56 m。兩根主纜呈空間線形，布置在主梁兩側(cè)，主梁錨固點(diǎn)處主纜橫向間距為47.9 m，橋塔處理論交點(diǎn)橫橋向的中心間距為0.5 m，跨中橫向間距為41.316 m。

本橋加勁梁采用整體式鋼箱梁結(jié)構(gòu)，中心梁高4.0 m，正常梁段懸臂部分底部斜向上直線與風(fēng)嘴相接，主纜錨固區(qū)段主梁為矩形斷面(見圖2)。

圖1 建材北路跨灞河橋橋型布置圖(單位：cm)

圖2 鋼梁主纜錨固區(qū)橫斷面圖(單位：cm)

2 鋼錨箱構(gòu)造

本橋錨箱采用格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，由錨面承壓板、橫向錨固板和豎板組成。其中錨面承壓板厚100 mm，其上留有主纜錨具孔洞，孔洞直徑203 mm；橫向錨固板厚50 mm，與主梁腹板焊接；豎板厚50 mm，焊接在橫向錨固板上組成格構(gòu)式結(jié)構(gòu)(見圖3～5)。整個(gè)格構(gòu)式錨箱傳力明確清晰，主纜索力由錨面承壓板傳遞給頂、底、腹板和橫向錨固板，橫向錨固板將力傳遞給腹板，進(jìn)而由腹板傳遞至全橋斷面。

圖3 鋼錨箱立面圖

圖4 鋼錨箱平面圖

圖5 鋼錨箱A-A橫截面

3 鋼錨箱受力分析

對于建材北路灞河橋的鋼錨箱，以厚鋼板連接成為復(fù)雜的空間格構(gòu)形式，需對其以及周邊相連板件組成的錨固區(qū)進(jìn)行有限元建模，計(jì)算整個(gè)錨固區(qū)的空間受力情況并驗(yàn)證傳力路徑的準(zhǔn)確性。

1)計(jì)算模型、邊界條件及荷載。計(jì)算模型：截取錨固區(qū)所在矩形梁段及兩端與其相接的一段標(biāo)準(zhǔn)梁段(見圖6～7)，利用MIDAS有限軟件進(jìn)行板單元建模分析。

邊界條件：主纜錨固后方的梁端，約束Z方向和Y方向，另一端梁端固結(jié)，其中板單元與固結(jié)點(diǎn)間采用剛性連接。

加載：考慮模型的自重；主纜端部拉力采用梁結(jié)構(gòu)在MIDAS總體計(jì)算模型中的內(nèi)力結(jié)果，并將主纜端部拉力換算為法向壓力均勻加載至錨面承壓板上的91個(gè)環(huán)形承壓面上(見圖8)。

圖6 主纜錨固區(qū)梁段模型圖

圖8 錨面承壓板模型圖

2)計(jì)算結(jié)果。經(jīng)過計(jì)算，從圖9應(yīng)力云圖可以看出，大部分板件的應(yīng)力在100 MPa以下，說明主纜錨固區(qū)構(gòu)造較為合理。應(yīng)力分布由鋼錨箱逐漸傳遞至整個(gè)梁截面，頂板開孔靠近散索套側(cè)的角點(diǎn)及風(fēng)嘴和橫隔板的交點(diǎn)處有應(yīng)力集中，會出現(xiàn)較大應(yīng)力，Von-Mises應(yīng)力值為144 MPa。從圖10～11可以看出，頂板在錨面承壓板處應(yīng)力相對較大，向著散索點(diǎn)方向逐漸變小，而底板應(yīng)力通過豎板傳遞從承壓板處向著散索點(diǎn)逐漸變大，反映出了仰面傾斜鋼錨箱在頂、底板上的傳力特點(diǎn)。鋼錨箱最大應(yīng)力出現(xiàn)在腹板與最底層橫向錨固板端部交點(diǎn)處，Von-Mises應(yīng)力值為124 MPa，而錨面承壓板除了主纜錨固點(diǎn)應(yīng)力較大外，其余應(yīng)力均較小，說明大部分主纜的力通過錨面承壓板傳遞給橫向錨固板，橫向錨固板傳力給腹板，并在端部應(yīng)力累加到最大值。

圖9 錨固區(qū)梁段應(yīng)力云圖

圖10 鋼錨箱應(yīng)力云圖

4 結(jié) 語

本文通過對西安市建材北路跨灞河橋的鋼錨箱進(jìn)行板殼單元的建模分析，得出了鋼錨箱各部位應(yīng)力，印證了格構(gòu)式鋼錨箱的傳力途徑。同時(shí)通過有限元仿真計(jì)算，可以較為真實(shí)的把握結(jié)構(gòu)的受力狀況，了解各應(yīng)力集中的板件部位，這對設(shè)計(jì)及制造、施工具有很重要的指導(dǎo)意義。

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