大跨斜拉橋索梁錨固區(qū)鋼錨箱傳力機理研究

劉 峰 劉小紅

(武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 武漢 430050)

隨著正交異性鋼橋面技術(shù)的不斷成熟，大跨徑斜拉橋的主梁越來越多地采用流線形扁平鋼箱梁。斜拉橋巨大的索力正是通過斜拉索與鋼箱梁上特殊的錨固連接(索梁錨固區(qū))來進行傳遞的，由于索梁錨固區(qū)板件眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫縱橫交錯，而巨大的索力又需要在此有限的范圍內(nèi)擴散到鋼箱梁上，這就導(dǎo)致了索梁錨固區(qū)域受力較為集中、應(yīng)力場復(fù)雜，其穩(wěn)定和疲勞問題突出，往往成為控制結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵構(gòu)造[1-4]。因此，研究傳力途徑合理、索力傳遞順暢的索梁錨固結(jié)構(gòu)，有助于解決鋼箱梁斜拉橋索梁錨固區(qū)在長期靜、動載作用下的的疲勞開裂及強度破壞問題。

目前，我國斜拉橋中最常用的索梁錨固形式主要有以下4種：①錨箱式；②錨管式；③錨拉板式；④耳板式[5]。鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)由于傳力明確、力線流暢被廣泛應(yīng)用，相關(guān)學(xué)者針對斜拉橋索梁錨固區(qū)受力規(guī)律、疲勞性能展開了大量的研究[6-7]。但是與中小跨度斜拉橋相比，大跨度斜拉橋由于恒載較重的原因，導(dǎo)致鋼錨箱的尺度及作用于鋼錨箱上的索力遠超中小跨徑斜拉橋，掌握如此大的索力的傳遞路徑、擴散過程、影響區(qū)域已成為設(shè)計大跨度鋼箱斜拉橋的首要任務(wù)。

本文以某大跨度鋼箱梁斜拉橋鋼錨箱為研究對象，通過建立鋼箱梁節(jié)段有限元模型，分析索力最大處的鋼錨箱受力規(guī)律、傳力機理。

1 鋼錨箱結(jié)構(gòu)研究

1.1 鋼錨箱結(jié)構(gòu)構(gòu)造

某大跨斜拉橋的鋼錨箱結(jié)構(gòu)示意見圖1，主要由錨箱頂板、錨箱底板(N4)、2塊與腹板相連的錨箱承壓板(N1)、錨箱封閉板、錨箱加勁板(N2)及設(shè)置在承壓板上的加勁肋組成。承壓板、錨箱底板通過3條焊縫與鋼箱梁腹板相連接，見圖2，索力通過這3條焊縫傳遞到鋼梁腹板上去，進而擴散到整個鋼梁上。

圖1 鋼錨箱結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 鋼錨箱與腹板相連的焊縫示意圖

1.2 有限元模型

為研究鋼箱梁鋼錨箱的應(yīng)力分布及傳力路徑，選取恒載+活載工況下索力最大的鋼錨箱為研究對象，建立有限元分析模型。因結(jié)構(gòu)、荷載關(guān)于橋梁中心線對稱，為減小計算規(guī)模，建立一半鋼梁模型，鋼梁所有構(gòu)件均用殼單元模擬，約束左側(cè)端點豎向及縱向位移，約束右側(cè)豎向位移，最后，在鋼梁中心線所在的平面施加正對稱約束。計算時，將整體模型中提取出來的恒載+活載下的局部模型所對應(yīng)節(jié)段的桿端力(軸力、剪力、彎矩)以集中力、彎矩的方式施加到局部模型的參考節(jié)點上，并將最大索力11 206 kN按照錨頭與錨墊板的實際接觸面積換算成均布荷載施加到接觸的圓環(huán)范圍內(nèi)。建立的有限元模型見圖3，整個模型共計2 218 433個節(jié)點，2 243 318個單元。

圖3 結(jié)構(gòu)有限元模型

2 鋼錨箱傳力機理分析

鋼錨箱的重要傳力板件包括錨箱承壓板N1、N2，錨箱底板N4和鋼梁錨固區(qū)的腹板，一般錨箱承壓板由于受到錨墊板傳來的巨大剪力，應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著，為探究鋼錨箱的傳力機理必須對錨箱承壓板、錨箱墊板的應(yīng)力分布及其傳力模式進行深入探究。

2.1 鋼錨箱承壓板

圖4給出錨箱承壓板N1、N2的Von Mises應(yīng)力分布情況。

圖4 鋼錨箱承壓板Von Mises應(yīng)力分布(單位：MPa)

由圖4可發(fā)現(xiàn)，N1、N2 2塊承壓板的受力模式及應(yīng)力數(shù)值相近，N1、N2 兩板均在與錨墊板N4的連接焊縫及焊縫1、2的終點處應(yīng)力等值線密布、應(yīng)力數(shù)值較大，出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。現(xiàn)以N2板為例進行分析。圖5a)示出N2承壓板σx方向的正應(yīng)力，對比圖4b)與圖5a)可知，N2板與錨墊板的連接焊縫附近的Von Mises應(yīng)力的分布規(guī)律與σx方向的應(yīng)力分布相似，在N2板與錨墊板的連接焊縫處取得極大值，依焊縫2沿著X軸正方向應(yīng)力值逐漸減小，由此說明，N2板與錨墊板的連接焊縫附近的高應(yīng)力區(qū)域是由錨墊板N3傳來的X方向的壓力造成的，圖5a)中，N2板與錨墊板的連接焊縫附近的高應(yīng)力區(qū)域關(guān)于斜拉索位置對稱，應(yīng)力等值線基本呈半圓形分布，說明索力通過錨墊板后經(jīng)焊縫2及焊縫3傳遞到錨箱承壓板上時，應(yīng)力逐漸擴散，趨于均勻。

圖5 N2承壓板應(yīng)力

N2板在焊縫3及焊縫2的終點角點處的應(yīng)力雖均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，但是這兩者的成因稍有不同，圖5b)、c)給出N2承壓板的第一、三主應(yīng)力，對比圖5b)、c)可以看出，在焊縫3與鋼梁腹板接觸的附近區(qū)域，主拉應(yīng)力等值線密布且數(shù)值較大，而在焊縫2終點處的角點位置上無主拉應(yīng)力，該處主壓應(yīng)力數(shù)值反而較大。分析其成因，造成焊縫3附近主拉應(yīng)力數(shù)值較大的原因主要是由于索面向外傾斜，在焊縫3附近存在Y方向的向外拉扯的分力，錨墊板及承壓板N1、N2的剛度不足，導(dǎo)致焊縫3上發(fā)生向外的“撕扯”效應(yīng)，從而產(chǎn)生較大的主拉應(yīng)力。焊縫2終點角點處主壓應(yīng)力數(shù)值與Von Mises應(yīng)力數(shù)值及分布情況近似，可推測焊縫2終點處的應(yīng)力集中主要是由于N2板承擔(dān)了經(jīng)錨墊板傳來的壓力，而N2板的剛度不足，同時發(fā)生了沿Y軸的彎曲變形及沿X軸的縱向位移，該主壓應(yīng)力屬于彎曲壓應(yīng)力。

2.2 錨下墊板

圖6給出錨墊板的應(yīng)力分布，承壓板N1、N2及其加勁肋與錨墊板交界處和焊縫3附近應(yīng)力水平較高，等值線密布，究其原因，主要是因為錨墊板上這幾道焊縫及其相鄰的節(jié)點在索力作用下節(jié)點位移受到限制，在垂直于錨墊板的壓力荷載下，錨墊板上焊縫節(jié)點在壓應(yīng)力與板的彎曲應(yīng)力的綜合效應(yīng)下出現(xiàn)了應(yīng)力集中，尤其是焊縫3處，由于鋼梁腹板強有力的約束作用。極大地限制了焊縫節(jié)點在索力方向的位移，導(dǎo)致焊縫3上Von Mises應(yīng)力出現(xiàn)極大值。

圖6 錨墊板Von Mises應(yīng)力分布(單位：MPa)

2.3 鋼梁腹板

圖7分別給出整個箱梁腹板及焊縫3附近的箱梁腹板的Von Mises應(yīng)力分布情況，焊縫1、2的應(yīng)力主要集中于焊縫的終點位置處，主要是由于索力經(jīng)錨墊板傳遞至承壓板1、2時，使承壓板1、2產(chǎn)生繞Y軸的彎曲變形和沿X方向的縱向變形，使得N1、N2板的尖點處在擠壓及彎曲應(yīng)力的綜合作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中。而焊縫3上的應(yīng)力集中主要是由于索力經(jīng)錨墊板傳遞到焊縫3時，其受到沿著X方向的壓力及繞Y軸的偏心彎矩My。焊縫3上側(cè)由于有2塊承壓板N1、N2的存在，整體協(xié)調(diào)變形的能力強，而下側(cè)只有小范圍的鋼梁腹板與錨墊板共同承擔(dān)焊縫3傳遞的壓力及偏心彎矩，此外，焊縫3下側(cè)由于更靠近鋼箱斜腹板，其對焊縫3下側(cè)的節(jié)點的位移有較強的約束作用，導(dǎo)致焊縫3下側(cè)的應(yīng)力集中現(xiàn)象較上側(cè)更為突出。

圖7 箱梁腹板應(yīng)力分布

3 結(jié)論

1) 基于通用有限元分析軟件，以某斜拉橋鋼錨箱為研究對象，建立了鋼梁節(jié)段有限元模型，得到了最大索力處鋼錨箱各板件的應(yīng)力分布規(guī)律。

2) 索力先通過錨墊板傳遞至焊縫3然后再傳遞至承壓板1、2，最后經(jīng)焊縫1、2傳遞至鋼箱梁腹板，然后擴散至整個鋼梁斷面。

3) 索力的傳力途徑。斜拉索→錨墊板→承壓板N1、N2→鋼梁腹板→鋼梁斷面。

4) 承壓板端部尖點處及錨墊板與鋼梁腹板焊接的根部處應(yīng)力集中明顯，在設(shè)計中應(yīng)引起重視。