青島市墨水河大橋索梁錨固區受力分析

孫朝輝

(林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司 重慶 401121)

1 工程概況

青島市墨水河大橋主橋為2×90 m單塔中央雙索面斜拉橋。行車道為雙向六車道，橋梁總寬度為39.5 m。主梁采用鋼箱梁，橋塔采用人字形鋼結構塔，全橋共布置18對斜拉索，按中央雙索面扇形布置，梁上索距為9 m。主橋立面布置見圖1。

圖1 主橋立面布置圖(單位：m)

主梁采用分體式箱形截面，左、右幅鋼箱梁通過間隔布置的聯系橫梁連接，鋼箱梁總寬39.5 m。鋼箱梁構造見圖2。斜拉索錨固在主梁內邊腹板外側，錨點橫向間距為5 m。

圖2 鋼箱梁構造

斜拉索與鋼主梁的錨固形式有錨箱式、錨拉板式、耳板式[1]。上述錨固形式各有特點，且均存在大量的工程實例，但經過景觀性、受力性能、施工難易度、養護便利性、經濟性等方面綜合比較，該橋索梁錨固采用鋼錨箱式連接結構。鋼錨箱構造見圖3。鋼錨箱采用Q420qD鋼材。

圖3 鋼錨箱構造

斜拉索索力傳遞路徑為：錨墊板→承壓板、上承剪板、下承剪板→鋼箱梁。主梁腹板內側均設置了補強板，以利于錨固處應力合理分散到主梁上[2]。補強板設置情況為：在承壓板對應位置設斜向補強板、承剪板末端角點處設置豎向補強板、加密設置腹板縱向水平加勁肋。通過補強板的設置，增強腹板局部剛度，在復雜內力作用下減小腹板變形，使錨固區索力流暢地傳遞給主梁[3]。腹板補強板構造見圖4。

圖4 腹板補強板構造

斜拉橋斜拉索的巨大索力斜向集中作用于主梁錨固點，索梁錨固結構必須能順利地將索力傳遞給主梁，其為斜拉橋的關鍵構造之一[4]。索梁錨固區的傳力途徑和受力情況較復雜，會出現較大的局部應力集中[5-6]。因此有必要對其進行局部有限元分析，以確保結構設計安全可靠[7]。

2 有限元建模

以索力最大的索梁錨固區及附近梁段為研究對象[8]，建立“梁段+鋼錨箱模型”，各板件采用板殼單元模擬，以考察錨固區附近鋼箱梁頂板、底板、腹板的受力情況。

以索力最大的鋼錨箱及局部腹板為研究對象，建立“局部鋼錨箱模型”，各板件采用實體單元模擬，以考察鋼錨箱各部分板件及錨固區腹板受力情況。

3 梁段+鋼錨箱模型分析

3.1 計算分析目的

本次計算的主要目的是分析分體式箱梁在各種荷載作用下，鋼錨箱錨固區附近鋼箱梁各板件的應力狀況。另外，由于本橋寬度較大，空間效應很明顯，在進行計算時若選取的縱向長度過短，根據圣維南原理邊界條件容易干擾構件的真實受力狀況。因此，本模型縱向共選取24 m、3個錨索區進行分析，選取其中9 m節段作為主要考察對象。

3.2 有限元模型的建立

利用三維有限元軟件midas FEA，根據施工圖詳細建出箱梁的細部構造。鋼箱梁構件均采用板單元進行模擬。同時模擬出每個節段對應的斜拉索，共6根拉索，拉索單元采用桁架單元模擬。取全截面結構進行計算。另外，為節約計算資源，同時考慮到鋼錨箱的受力狀況并非該次分析對象，因此鋼錨箱僅考慮承壓板、傳力板2個主要受力板件，未考慮其上加勁肋。錨箱采用板單元模擬，通過共節點耦合在一起。承壓板與拉索錨固點按主從節點的方式進行連接。有限元模型見圖5。

圖5 梁段+鋼錨箱有限元模型

3.3 邊界條件

根據本計算模型中的包含的荷載類型，結構自重、二期恒載、汽車荷載，在整體計算模型中提出在這些荷載作用下對應的每根索的索力值。將該索力值轉化為等效降溫值，施加于本局部分析模型中。具體的索力值及對應的等效降溫值見表1。拉索的一端通過節點耦合于鋼箱梁的鋼錨箱處，另一端固定約束在對應的橋塔鋼錨箱位置處。

表1 斜拉索索力等效降溫值

另外，主鋼箱梁兩端同時承受其余主梁傳來的內力荷載，在模型中以等效的位移值來模擬該內力邊界條件，兩端等效位移值見表2。

表2 鋼箱梁端面位移約束值

3.4 計算結果

為避免兩端邊界條件對計算結果的影響，僅提取中間拉索區附近標準鋼箱梁節段的應力計算結果。鋼箱梁錨固區附近板件在正常使用極限狀態下應力計算結果見圖6。

圖6 正常使用極限狀態下板件等效應力(單位：MPa)

由圖6可見，鋼箱梁頂板最大等效應力為142.9 MPa，底板最大等效應力為121.8 MPa，腹板最大等效應力為229.9 MPa，出現在鋼錨箱角點位置，橫隔板最大等效應力為110.1 MPa。說明索力通過鋼錨箱傳遞到鋼箱梁腹板，并逐步擴散傳遞到頂底板；由于主梁采用分體式鋼箱梁，頂底板等效應力峰值出現在聯系橫梁跨中；聯系橫梁腹板所對應的箱室內橫隔板比拉索橫隔板的應力水平高。

4 局部鋼錨箱模型分析

局部鋼錨箱模型分析采用三維有限元軟件midas FEA建立模型，對斜拉索索梁錨點進行分析。計算模型包括鋼錨箱，部分鋼箱梁頂板、底板、腹板和一個橫隔板[9]。取最大索力的下錨點進行計算分析。

錨點荷載取整體桿系計算中基本組合下最大索力3 700 kN進行控制計算，索力按均布壓力荷載加載，加載位置為錨頭錨圈在錨墊板上的圓環形投影面。結構計算模型見圖7。

圖7 局部鋼錨箱模型

4.1 不設腹板局部補強板模型計算結果

腹板及錨箱變形、應力計算結果見圖8、圖9。由圖8、圖9可見，在腹板未設加勁肋的情況下，腹板變形巨大，出現局部失穩，構件進入塑性破壞。因此腹板必須設置加勁肋及局部補強板來增強主梁腹板的剛度，以保證結構安全。

圖8 錨固區位移(單位：mm)

圖9 錨固區等效應力(單位：MPa)

4.2 設腹板局部補強板模型計算結果

腹板及錨箱變形計算結果見圖10，腹板及錨箱應力計算結果見圖11。由圖10、圖11可見，在腹板設置局部補強板的情況下，鋼錨箱最大變形為1.5 mm，錨固區腹板最大變形為1.4 mm；鋼錨箱最大等效應力為146.6 MPa，最大值出現在上傳力板角點處，網格占比非常小，且最大等效應力小于鋼材強度設計值420 MPa。

圖10 錨固區位移(單位：mm)

圖11 腹板及錨箱應力(單位：MPa)

5 結語

鋼錨箱將巨大索力傳遞給主梁，是關鍵的受力構件，鋼箱梁索梁錨固區為空間受力構件，力學行為復雜，因此有必要對鋼錨箱及對應的主梁梁段進行空間有限元計算分析。通過計算分析得到如下結論。

1) 梁段+鋼錨箱模型計算結果表明，索力通過鋼錨箱傳遞到鋼箱梁腹板，并逐步擴散傳遞到頂、底板；由于主梁采用分體式鋼箱梁，頂、底板等效應力峰值出現在聯系橫梁跨中；聯系橫梁腹板所對應的箱室內橫隔板比拉索橫隔板的應力水平高。

2) 索梁錨固區腹板必須設置加勁肋及局部補強板來增強主梁腹板的剛度，以保證結構安全。通過設置腹板局部補強板，錨固區腹板變形和應力均可以滿足受力要求。

3) 該橋為中央空間索面斜拉橋，主梁為分體式鋼箱梁，鋼錨箱錨固于內邊腹板外側，斜拉索張拉施工和后期養護均較方便。此類鋼錨箱設計可為類似工程提供借鑒。