斜拉索主梁錨固合理構(gòu)造設(shè)計(jì)

田 波，宋路兵

（四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都610041）

0 引言

宜賓南溪（仙源）長江大橋跨越長江，按雙向四車道公路橋設(shè)計(jì)，預(yù)留六車道通車能力，兩側(cè)設(shè)置人行道，設(shè)計(jì)荷載為公路—Ⅰ級、人群荷載2.5kN/m2。

主橋采用五跨280m+572m+（72.5+63+53.5）m雙塔雙索面非對稱混合梁斜拉橋。主跨及北岸邊跨主梁采用混合梁，南岸邊跨主梁采用混凝土主梁，北岸邊中跨比0.49，南岸邊中跨比0.33。組合梁主梁段斜拉索間距13.5m，混凝土主梁斜拉索間距9.0m，鋼混過渡段設(shè)置于南岸主塔中跨側(cè)。橋面全寬30.5m（含拉索空間），主梁中心高度3.5m。大橋橋孔布置見圖1[1-5]。

圖1 大橋橋孔布置圖（單位：m）

1 索梁錨固構(gòu)造的選擇

本項(xiàng)目鋼主梁采用工字鋼主梁+混凝土橋面板的組合梁結(jié)構(gòu)。斜拉索與鋼主梁之間的錨固連接是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。索梁錨固結(jié)構(gòu)是一個(gè)局部應(yīng)力大、傳力復(fù)雜的區(qū)域,它要將從斜拉索傳遞來的巨大索力分散到主梁截面。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使力線流暢,避免出現(xiàn)過大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。否則,在長期動(dòng)載和靜載作用下,可能出現(xiàn)疲勞或強(qiáng)度破壞。

目前,組合梁斜拉橋中常見的索梁錨固型式主要有以下3種:鋼錨箱式(承壓式)連接;耳板式(銷鉸式)連接;錨拉板連接。常見的索梁錨固型式見圖2。

圖2 常見的索梁錨固型式圖

根據(jù)對上述三類錨固形式總體分析如下：

（1）從傳力行為來看：錨箱式連接是通過錨箱底板、承壓板將索力傳遞給鋼梁腹板;耳板式連接是直接由耳板將索力傳遞到鋼梁腹板;錨拉板式連接是通過錨拉板將索力傳遞給鋼梁。都能實(shí)現(xiàn)拉索力到主梁的傳力。

（2）從傳力構(gòu)造來看：錨箱式連接板件較多,構(gòu)造最復(fù)雜,而耳板式連接構(gòu)造最簡單,錨拉板連接介于上述兩者之間。

（3）從材料來看：錨箱式、錨拉板連接均不需要特殊鋼材,對鋼材的性能沒有特別的要求,而耳板式連接要求耳板鋼材具有很高的屈服強(qiáng)度。

（4）各種索梁錨固連接形式都會出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象,出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位有所不同;錨箱式連接以腹板的應(yīng)力集中最為嚴(yán)重;耳板式連接往往在銷孔壁形成了巨大的局部壓力;而錨拉板式連接往往在錨拉板焊縫處出現(xiàn)應(yīng)力集中。

綜合分析，鋼錨箱式連接構(gòu)造復(fù)雜,往往要求更高的制造工藝和制造成本,同時(shí)運(yùn)營過程中的檢查、維修、較為不便；耳板式(銷鉸式)連接構(gòu)造較為簡單，但索力較大時(shí)對耳板開孔處和銷軸受力要求高，運(yùn)營期易出現(xiàn)疲勞開裂；綜合而言錨拉板式連接構(gòu)造更加適宜于本項(xiàng)目的索梁錨固構(gòu)造。

2 錨拉板合理構(gòu)造

針對錨拉板的構(gòu)造設(shè)計(jì)初步擬定了兩種構(gòu)造方案。方案一采用后錨板與索套管焊接接，與錨拉板不連接，索力通過索套管傳遞至錨拉板后再傳遞至主梁。方案二采用采用后錨板與索套管、錨拉板均連接，索力直接由錨拉板傳遞至主梁。兩類錨固點(diǎn)構(gòu)造細(xì)節(jié)見圖3。

圖3 兩類錨固點(diǎn)構(gòu)造細(xì)節(jié)圖

針對上述兩種錨拉板構(gòu)造方案開展計(jì)算分析，主要針對錨拉板各部位的受力和應(yīng)力集中情況進(jìn)行研究。

采用有限元分析軟件Ansys對兩類的錨拉板構(gòu)造進(jìn)行受力分析。控制索力根據(jù)大橋總體計(jì)算結(jié)果，取用值為8700kN。

有限元模型的全局坐標(biāo)系以錨拉板中線與鋼主梁頂板的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以順橋向?yàn)閄軸，橫橋向?yàn)閅軸，以豎直方向?yàn)閆軸（向上為正）。為考慮鋼主梁邊界條件的影響，取錨拉板間距范圍內(nèi)的主梁與錨拉板連接，主梁兩端固結(jié)，將計(jì)算索力換算為均布壓力，施加在錨墊板上。考慮到錨固區(qū)域應(yīng)力集中嚴(yán)重，該模型進(jìn)行了材料非線性和結(jié)構(gòu)非線性分析，所有鋼結(jié)構(gòu)板件均采用Soild45單元模擬。通過計(jì)算分析得到：

（1）結(jié)構(gòu)整體受力性能：方案一整個(gè)結(jié)構(gòu)中應(yīng)力較大的區(qū)域主要在錨拉板中間孔洞區(qū)域，最大應(yīng)力發(fā)生在斜拉索錨固區(qū)域，拉板倒角及與錨管相交處，出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中；方案二整個(gè)結(jié)構(gòu)中應(yīng)力較大的區(qū)域主要在拉板與錨管的連接區(qū)域和錨墊板與拉板之間的連接區(qū)域，兩處均出現(xiàn)較大應(yīng)力集中，最大應(yīng)力的發(fā)生位置與錨墊板板厚有關(guān)，在與方案一同等板厚條件下，最大應(yīng)力發(fā)生在錨墊板與拉板之間的連接區(qū)域。兩類錨拉板整體受力見圖4。

圖4 兩類錨拉板整體受力圖

（2）錨固區(qū)域的受力狀況：方案一出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，圓弧倒角及與鋼管相交區(qū)域的最大應(yīng)力達(dá)到鋼材屈服強(qiáng)度，最大塑性應(yīng)變5.0×10-3。拉板、錨墊板、鋼套管整體應(yīng)力不大，為120～200MPa。方案二錨墊板與拉板焊接，拉板與錨管的連接區(qū)域及錨墊板與拉板的連接區(qū)域均出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，兩處的最大應(yīng)力均達(dá)到鋼材屈服強(qiáng)度，最大塑性應(yīng)變發(fā)生在錨墊板與拉板的連接區(qū)域，為1.0×10-3，拉板、錨墊板、鋼套管整體應(yīng)力基本與方案一相當(dāng)，為120～200MPa。兩類錨拉板塑性應(yīng)變分布見圖5。

圖5 兩類錨拉板塑性應(yīng)變分布圖

（3）面外受力情況：方案一受力明確，錨墊板、拉板及鋼管均為面內(nèi)受力，拉板與鋼管之間的焊縫承受沿焊縫方向的剪力。方案二錨墊板與拉板焊接，受焊縫約束，錨墊板在連接處存在明顯面外受力，特別是連接構(gòu)造局部開孔處面外受力造成嚴(yán)重應(yīng)力集中現(xiàn)象，并出現(xiàn)明顯的塑性應(yīng)變，連接焊縫承受垂直于焊縫的剪力和彎矩。方案二面外受力見圖6。

圖6 方案二面外受力圖

通過對兩類錨拉板的構(gòu)造進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析可知：方案二錨墊板與拉板、鋼管均連接共同分?jǐn)偭怂髁Γ瑢?yīng)力集中區(qū)域分為兩塊，一定程度上減小了應(yīng)力集中和最大塑性應(yīng)變。但從鋼結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)構(gòu)造來看，方案二在方案一的基礎(chǔ)上，增加了錨墊板與拉板的焊接構(gòu)造。錨墊板板厚通常為60～80mm，錨墊板局部開孔后與拉板焊接的工作量和質(zhì)量控制難度大，且焊后處理較難，錨墊板與拉板連接細(xì)節(jié)由于應(yīng)力集中更易出現(xiàn)疲勞開裂。方案一結(jié)構(gòu)受力更加明確，加工制造難度小，存在的應(yīng)力集中分布于拉板圓弧倒角及與鋼管相交區(qū)域，可通過焊后處理消除殘余應(yīng)力，推薦采用方案一的錨拉板構(gòu)造設(shè)計(jì)。

錨拉板構(gòu)造分上、中、下三部分。上部錨拉板的兩側(cè)焊于錨管外側(cè),下部直接用焊縫與主梁上翼緣頂面焊連,中部除了需安裝錨具外,尚需連接上、下兩部分,為了補(bǔ)償開孔部分對錨拉板截面的削弱,以及增強(qiáng)其橫向的剛度,在錨拉板的兩側(cè)焊接了加勁板。錨板與索套管直接焊接連接。錨拉板與錨管、加勁肋、主梁上翼板,以及主梁上翼板與主梁腹板的連接都是至關(guān)重要的傳力焊縫,在制造過程中要求焊縫全熔透,并經(jīng)過嚴(yán)格的探傷檢查，焊后進(jìn)行消除焊接殘余應(yīng)力處理。由于主梁上翼板受板厚方向的拉伸,因此對鋼板有正向（Z向）性能的要求，保證鋼板厚度方向的強(qiáng)度和焊縫抗拉伸和抗疲勞的性能。錨拉板斷面見圖7、圖8。

圖7 錨拉板立面圖

圖8 錨拉板斷面詳圖

3 錨拉板的焊接處理

由于錨拉板結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，易出現(xiàn)應(yīng)力集中，針對鋼材的焊接進(jìn)行了如下技術(shù)要求：

（1）焊后磨修

焊腳尺寸、焊波或余高超出規(guī)定上限值的焊縫及小于1mm且超差的咬邊應(yīng)修磨勻順。所有表面的修磨均應(yīng)沿主要受力方向進(jìn)行，使磨痕平行于主要受力方向。

（2）焊后殘余應(yīng)力的消除

采用超聲波沖擊方法減小和消除焊接殘余應(yīng)力。并對關(guān)鍵焊縫處選取包括母材處的應(yīng)力測點(diǎn)進(jìn)行沖擊前后殘余應(yīng)力測試。構(gòu)件制作過程中，需要對錨拉板連接部關(guān)鍵焊縫進(jìn)行超聲波沖擊，并選取典型應(yīng)力點(diǎn)進(jìn)行沖擊前后應(yīng)力測試，確保沖擊工藝效果。沖擊焊縫：沖擊部位包括焊址、溶合區(qū)、母材5mm寬熱影響區(qū)。在焊縫母材熱影響區(qū)域（距焊縫100mm左右），沖擊后控制其最大拉應(yīng)力。

實(shí)際加工過程中，通過上述兩項(xiàng)措施的實(shí)施，對錨拉板的焊縫的處理，有效的降低焊縫區(qū)殘余應(yīng)力約30%，對于降低應(yīng)力集中和防止焊縫疲勞開裂起到積極的促進(jìn)作用。

4 結(jié)語

（1）宜賓南溪（仙源）長江大橋斜拉索與鋼主梁之間的錨固連接，充分考慮的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和安全性進(jìn)行合理位置選擇，合理科學(xué)。

（2）通過數(shù)值模擬分析，對錨拉板的的結(jié)構(gòu)構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行了充分驗(yàn)證，指導(dǎo)了錨拉板的構(gòu)造設(shè)計(jì)。

（3）通過焊接工藝評定和相關(guān)的焊接試驗(yàn)驗(yàn)證，有效控制了錨拉板復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的受力，提高了結(jié)構(gòu)的安全性。