大跨斜拉橋鋼錨梁多工況受力性能分析

薛世豪

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

隨著大跨徑公鐵兩用斜拉橋的建設(shè)，斜拉索索力不斷增加，這也對索塔錨固結(jié)構(gòu)的受力性能提出了更高的要求。錨索結(jié)構(gòu)作為斜拉橋受力關(guān)鍵部位，同時也是斜拉橋的設(shè)計難點[1-3]。鋼錨梁索塔錨固構(gòu)造可以較好平衡索力，使混凝土塔壁承受的水平力較小，從而很好地發(fā)揮鋼材和混凝土兩種材料的性能，且方便工廠預(yù)制，在斜拉橋領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文通過采用有限元實體建模仿真計算的方式對鋼錨梁索塔錨固在不同工況下的應(yīng)力水平進行分析，確保鋼錨梁組合結(jié)構(gòu)受力合理，從而為后續(xù)設(shè)計施工提供依據(jù)。

1 工程背景

依托工程為全長1 700m的雙塔雙索面組合梁斜拉橋，跨徑組合72m+212m+560m+212m+72m。主塔采用菱型索塔，群樁基礎(chǔ)；塔底尺寸為29m×17m，下橫梁處塔身尺寸為42.5m×12m，上橫梁處塔身尺寸為27.1m×8m，塔頂尺寸為12.9m×8m。主梁采用混凝土面板下設(shè)兩小縱梁的結(jié)構(gòu)形式。斜拉索采用高強度低松弛平行鍍鋅鋼絲索，全橋共176根，標(biāo)準(zhǔn)索距為15m。全橋跨徑布置如圖1所示。

圖1 跨徑布置示意(單位：cm)

2 鋼錨梁支撐方案設(shè)計

2.1 方案比選

背景橋梁除塔側(cè)1～3對斜拉索采用混凝土齒塊錨固外，其余均采用鋼牛腿-鋼錨梁組合結(jié)構(gòu)形式。每個塔柱內(nèi)鋼錨梁共19道，每道鋼錨梁錨固一對斜拉索，支承于鋼牛腿上。

鋼錨梁鋼牛腿構(gòu)造圖如圖2所示，鋼錨梁腹板端部伸出三角形凸起，以適應(yīng)拉索錨固角度，錨面采用縱橫向加勁肋，分擔(dān)錨固壓力。底板采用鏤空構(gòu)造，以形成鋼錨梁檢修通道。錨梁與鋼牛腿間設(shè)置墊板和臨時固結(jié)螺栓。鋼牛腿背板通過剪力釘與混凝土塔壁相連，為防止腹板受壓失穩(wěn)，豎板設(shè)置豎向加勁肋，并焊接斜底板。

圖2 鋼錨梁索塔錨固區(qū)構(gòu)造

鋼錨梁在塔壁鋼牛腿上有3種支承方式，即兩端固結(jié)體系，兩端滑動體系和一端固定，一端滑動體系。經(jīng)研究比選[4-5]，確定為索力張拉時邊跨側(cè)固定，中跨側(cè)滑動，張拉后將滑動端固結(jié)，形成成橋狀態(tài)的兩端固定體系。該方案能充分發(fā)揮鋼錨梁平衡兩端斜拉索水平分力的作用。

施工步驟為鋼錨梁與鋼牛腿之間先用高強螺栓連接，然后焊接一側(cè)，另一側(cè)僅設(shè)置受壓連接，使拉索水平力可以傳至鋼錨梁，兩側(cè)張拉完成后，再將兩側(cè)焊接固結(jié)。

2.2 模型參數(shù)

鋼錨梁節(jié)段高3.5m，混凝土塔壁寬4.6m，厚1.5m。鋼錨梁和鋼牛腿采用Q345qD鋼材,抗壓彈性模量E=2.06×105MPa；剪切模量G=0.79×105MPa；泊松比υ=0.31；線膨脹系數(shù)：1.2×10-5℃；重度γ=78.5kN/m3。鋼材強度取值詳見表1。

混凝土塔壁采用C50混凝土，彈性模量3.45×104MPa；泊松比υ為0.2；線膨脹系數(shù)1.0×10-5℃;重度;γ=26kN/m3。

表1 鋼材強度設(shè)計值

3 有限元模型

為研究鋼錨梁及橋塔受力情況，采用有限元軟件MidasFea建立鋼錨梁索塔錨固區(qū)模型。為簡化計算，減小計算模型，選取索力最大，受力最不利的塔頂鋼錨梁為研究對象，且僅針對尾索相對應(yīng)鋼錨梁進行建模，其余鋼錨梁簡化不予建模[6]。根據(jù)圣維南原理[7]，為避免邊界條件對分析區(qū)段產(chǎn)生影響，所取模型區(qū)段應(yīng)在錨固區(qū)下端延長一定距離，以保證結(jié)果的真實性，同時對結(jié)果影響很小塔冠部分不予考慮。

鋼結(jié)構(gòu)部分采用尺寸8mm的空間四面體單元模擬，混凝土部分利用映射網(wǎng)格方法采用8mm～100mm的空間四面體單元模擬。用僅受拉連接單元來模擬鋼錨梁底板和牛腿頂板之間的高強螺栓效果，焊接作用使用彈性連接中的剛性連接單元來實現(xiàn)。模擬滑動時用單邊法向接觸(僅鋼錨梁底板和牛腿頂板接觸部位有滑動接觸)。

模型邊界條件為混凝土塔壁下端的所有節(jié)點均約束，按節(jié)點約束6個自由度，側(cè)面為正對稱截面約束，按節(jié)點約束3個自由度。有限元模型分析時的外荷載為結(jié)構(gòu)自重、鋼束預(yù)應(yīng)力、斜拉索索力。預(yù)應(yīng)力鋼束面積1 688mm2，大小為1 300MPa。索力施加在鋼錨梁的承壓板上，采用空間3D單元面加載的方式施加。由于錨固區(qū)為對稱結(jié)構(gòu)，為縮減分析規(guī)模，只需建立半邊模型。索塔錨固區(qū)有限元模型如圖3所示，模型中共1 200 859個單元，267 163個節(jié)點。

圖3 鋼錨梁結(jié)構(gòu)有限元模型

4 結(jié)果分析

根據(jù)實際情況，選取最不利三種工況進行分析，如表2所示。

表2 分析工況一覽

4.1 施工階段鋼錨梁受力性能分析

由鋼錨梁組合結(jié)構(gòu)受力原理知，在錨固結(jié)構(gòu)中，索力豎向分力的傳遞是簡單、明確的，而索力水平分力的傳遞和分配則受到較多因素的影響。其中影響最大的是鋼錨梁與鋼牛腿之間的連接方式。然而前面很少有研究涉及牛腿與鋼錨梁之間摩擦接觸非線性對組合結(jié)構(gòu)受力性能的影響，因此分別建立考慮摩擦接觸非線性和不考慮摩擦接觸非線性的有限元模型進行研究[8]。

組合結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件等效應(yīng)力如表3所示。

表3 工況一作用下組合結(jié)構(gòu)應(yīng)力 MPa

索力作用下，鋼錨梁發(fā)生滑動，帶動牛腿頂板共同向鋼牛腿背板移動，導(dǎo)致鋼牛腿背板位置處出現(xiàn)較大應(yīng)力。由表3可知，高強螺栓將鋼錨梁底板與牛腿頂板連接，并且只在一側(cè)接縫處焊接，另一側(cè)可摩擦滑動情況下，鋼錨梁組合結(jié)構(gòu)范梅賽斯最大等效應(yīng)力大致相當(dāng)，均為216MPa左右，滿足結(jié)構(gòu)安全使用要求，但是牛腿頂板應(yīng)力相差52 %,考慮摩擦作用進行非線性分析時，牛腿頂板最大等效應(yīng)力為203MPa遠(yuǎn)大于不考慮摩擦接觸時的133MPa，最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在牛腿頂板、鋼錨箱底板與鋼牛腿背板三者的交界面附近。施工狀態(tài)下鋼錨梁變形圖如圖4所示。

圖4 初張拉索力下鋼錨梁變形云圖

因此，在后面鋼錨梁組合結(jié)構(gòu)設(shè)計中，有必要考慮摩擦滑移影響進行結(jié)構(gòu)分析驗算。此外，鋼錨梁組合結(jié)構(gòu)最為不利的區(qū)域為鋼錨梁底板與牛腿頂板之間的焊縫區(qū)域，在構(gòu)件制造時，應(yīng)確保相應(yīng)關(guān)鍵部位施工質(zhì)量。

4.2 運營階段鋼錨梁受力性能分析

根據(jù)MidasCivil全橋計算模型，提取運營狀態(tài)下最不利荷載組合索力8 321kN，此時鋼錨梁與兩側(cè)牛腿保持焊接狀態(tài)，共同受力。

運營狀態(tài)下，鋼錨梁兩側(cè)承擔(dān)對稱荷載，鋼錨梁最大等效應(yīng)力為240MPa，滿足結(jié)構(gòu)使用要求。運營狀態(tài)鋼錨梁應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 運營狀態(tài)下鋼錨梁應(yīng)力云圖

4.3 極端斷索工況下鋼錨梁受力性能分析

采用在前面模型基礎(chǔ)上鈍化一側(cè)索力來模擬極端斷索工況下的鋼錨梁受力狀態(tài)，邊界條件不變。

鋼錨梁受力后，在立面上，錨梁中部上拱，軸向伸長擠壓，索力施加側(cè)牛腿前端部分有上翹，左腹板較右腹板變形大。在平面中，錨梁向外偏移。變形特征如圖6所示。

圖6 極端斷索工況下鋼錨梁變形云圖

單側(cè)索力工況下，索力的豎向力大部分經(jīng)側(cè)牛腿傳至塔柱，使該側(cè)塔壁受壓，另一側(cè)牛腿雖然有部分豎向力傳遞，但單側(cè)索力產(chǎn)生的彎矩要大于該部分豎向力的影響，最終使得鋼錨梁一側(cè)受壓，另外一側(cè)部分板件受拉。鋼錨梁最大等效應(yīng)力為277MPa，仍處在設(shè)計安全范圍內(nèi)(表4)。

5 結(jié)論

以主跨560m雙塔雙索面組合梁斜拉橋為背景，計算了索塔錨固區(qū)鋼錨梁在多種工況下的受力性能，得出以下結(jié)論：

(1)鋼錨梁索塔錨固結(jié)構(gòu)一端固定，另一端設(shè)置僅受壓連接時，通過線性分析方法得到的牛腿應(yīng)力小于考慮摩擦接觸非線性的牛腿應(yīng)力52 %。為保證結(jié)構(gòu)安全，在鋼錨梁結(jié)構(gòu)施工階段分析中應(yīng)當(dāng)采用考慮摩擦影響的非線性分析方法。

表4 極端斷索工況下主要板件應(yīng)力變化 MPa

(2)鋼錨梁在運營荷載工況作用下，腹板與牛腿背板焊接部位應(yīng)力最大，屬于受力薄弱部位，但鋼錨梁仍處于安全狀態(tài)，建議加強對較薄弱部位的質(zhì)量檢測。

(3)極端斷索狀態(tài)下，鋼錨梁最大應(yīng)力為277MPa，各板件均小于容許應(yīng)力值,滿足設(shè)計要求。該工況不平衡索力由焊縫經(jīng)牛腿和剪力釘傳遞至塔柱，設(shè)計應(yīng)考慮對焊縫進行抵抗不平衡索力的設(shè)計，保證鋼錨梁安全。