大跨度斜拉橋鋼錨梁空間復雜力學性能研究

祝 兵，張子怡，張 振，宋 凡，齊 樂

(西南交通大學土木工程學院，成都 610031)

斜拉橋作為一種拉索體系，跨越能力更大，并且建筑高度小、施工方便安全、橋型美觀，因此成為近年來我國大跨度橋梁中應用最普遍的一種橋型之一。對于斜拉橋來說，其拉索的錨固結構是保證橋梁安全的重要結構，并且其設計必須達到傳力可靠、安全耐久、造型美觀、易于維護的基本要求[1-3]。目前工程中常見的錨固區結構形式主要有鋼錨箱結構和鋼錨梁結構[4-6]。其中傳統的鋼錨梁結構因造價低、施工簡單便捷等優點被廣泛應用[7]。鋼錨梁的主要功能是將斜拉索局部的集中力安全、均勻地傳遞到塔柱。鋼牛腿是鋼錨梁的支撐結構，是主要的豎向受力構件。由于受到拉索較大的集中拉力作用，錨固結構部位會出現明顯的應力集中現象[8-10]。

本文鋼錨梁結構由頂板、單腹板和底板焊接而成，采用牛腿結構實現鋼錨梁與混凝土的連接。本文的計算方法考慮了施工階段、牛腿頂板與錨梁底板之間的摩擦作用和預應力作用對鋼錨梁結構的影響。并通過采用有限元軟件對鋼錨梁在不同工況下的空間力學特性進行計算分析，確保鋼錨梁各部分結構受力安全，從而為后續施工設計和類似工程提供理論依據。

1 工程背景與有限元模擬

1.1 工程背景

該大跨度斜拉橋主橋孔跨布置為(72+212+560+212+72)m，為雙塔雙索面組合梁斜拉橋。主梁采用混凝土面板下設兩小縱梁的結構形式，主塔采用菱形索塔，過渡墩、輔助墩采用空心薄壁墩，均采用群樁基礎。斜拉索采用高強度低松弛平行鍍鋅鋼絲索，全橋共176根，標準索距15 m。

1.2 有限元軟件及參數

采用三維空間分析軟件對塔頂鋼錨梁節段建立有限元模型，為簡化計算，選取索力最大的塔頂鋼錨梁作為研究對象。材料參數及荷載參數的選用如下。

混凝土塔柱采用C50混凝土，彈性模量為3.45×104MPa，泊松比為0.2，密度取2 500 kg/m3；鋼錨梁采用Q345鋼材，彈性模量為2.05×105MPa，泊松比為0.3，密度取7 850 kg/m3；預應力采用鋼絞線施加，抗拉強度標準值為1 860 MPa，彈性模量為1.95×105MPa，泊松比為0.3，密度取7 850 kg/m3。

混凝土的強度標準值及設計值和鋼材的強度設計值分別見表1、表2。

表1 混凝土的強度標準值和設計值 MPa

表2 鋼材的強度設計值 MPa

表1中，fck、ftk分別為混凝土抗壓、抗拉強度標準值，fcd、ftd分別為混凝土抗壓、抗拉強度設計值。

1.3 計算荷載取值及施加

鋼錨梁承受的荷載主要為以下三類，模型荷載加載位置如圖1所示。

圖1 模型荷載加載位置

(1)橫梁結構自重(自重系數取-1)。

(2)斜拉索索力荷載(取值見表3)。

(3)預應力荷載(大小為1 395 MPa，預應力鋼筋面積取1 688 mm2)。

根據全橋計算模型，提取塔頂最不利荷載組合下的索力值見表3，斜拉索尾索索力采用3D單元面壓力的方式施加。

表3 斜拉索索力值 kN

1.4 有限元模型及邊界條件

采用三維空間分析軟件建立了鋼錨梁模型，鋼結構部分采用尺寸8 mm的空間四面體單元模擬，混凝土部分利用映射網格方法采用8～100 mm 的空間四面體單元模擬。

鋼錨梁有限元模型底部采用固結約束，以塔根頂面中心位置建立參考點，并把頂面所有節點(從屬節點)與參考點(主節點)之間進行剛接；側面采用對稱約束，模型中共1 200 859個單元，267 163個節點。有限元模型如圖2所示，邊界條件如圖3所示，鋼錨梁尺寸及構造如圖4所示。

圖2 有限元模型

圖3 有限元模型邊界條件

圖4 鋼錨梁幾何尺寸(單位：mm)

2 鋼錨梁空間復雜力學性能分析

為了得出鋼錨梁最不利受力狀態，建立了3種工況進行分析，分別為考慮預應力的線性分析、考慮預應力的非線性分析、不考慮預應力的非線性分析。

2.1 線性分析

考慮預應力鋼筋的作用，并使用線性分析計算方法，各接觸面采用共節點方式連接，牛腿頂板與鋼箱底板之間拉開0.5 mm間距，用來模擬連接單元，利用僅受壓彈性連接來模擬成橋階段牛腿頂板與錨梁底板之間的高強螺栓連接。整個工況共分為3個施工階段：成橋階段、運營階段、斷索階段。

成橋階段在對稱面上施加對稱約束，橋塔混凝土底部采用固定約束。左側牛腿頂板與鋼箱底板設置僅受壓連接與邊緣部分焊接，右側牛腿頂板與鋼箱底板設置僅受壓連接。

運營階段施加運營索力，并將僅受壓一側邊緣焊接，利用彈性連接中的剛接單元進行模擬。

斷索階段是為了考慮橋梁運營期間突發的一側斷索情況，采用在前面2個施工階段上鈍化一側索力來模擬。

2.2 非線性分析

為了考慮成橋階段采用高強螺栓連接牛腿頂板與鋼錨梁底板時的摩擦作用，采用一般接觸來模擬兩者之間作用，摩擦系數設為0.03，并且考慮預應力的作用，進行非線性分析。

2.3 力學性能分析

各工況應力云圖如圖5、圖6所示(混凝土主壓應力云圖以線性分析成橋階段工況為例)。

圖5 成橋階段混凝土主壓應力線性分析結果(單位：MPa)

圖6 鋼錨梁等效應力結果(單位：MPa)

由圖5可以看出，混凝土主壓應力在牛腿頂板與錨梁底板、牛腿壁板三者角點處較大，存在應力集中現象。

由圖6可以看出，鋼錨梁腹板與鋼錨梁底板交界角點處、錨墊板角點處存在較大應力，牛腿腹板與鋼錨梁焊接角點部位存在應力集中現象。對于塑性較好的材料，當承受穩定壓力或重復次數很少的荷載時，局部應力對安全影響甚小，只要結構大面積上的應力仍處于彈性狀態，局部應力過高就不會直接導致結構破壞。

各工況應力結果如表4、表5所示。

表4 線性分析方法等效應力最大值 MPa

表5 非線性分析方法等效應力最大值 MPa

斷索工況下混凝土主壓應力較大位置集中于未斷索一側牛腿頂板附近混凝土區域。分析原因為由于另一側松開，失去水平方向力，導致未斷索一側水平力增大。

由表4、表5及圖7、圖8可知，在模擬出牛腿頂板與鋼錨梁底板之間的摩擦作用后，鋼錨梁等效應力最大值為214 MPa，略大于線性分析的應力結果176 MPa。應力較大區域基本都位于相同區域即鋼錨梁的腹板與底板角點處。牛腿頂板最大應力為203 MPa，與線性分析的應力結果135 MPa相比，牛腿頂板最大應力增大約50%。

圖7 鋼錨梁結構等效應力對比

圖8 牛腿結構等效應力對比

不考慮預應力情況下在模擬出成橋階段牛腿頂板與鋼錨梁底板之間的摩擦后，鋼錨梁等效應力最大值為180 MPa，與考慮預應力非線性分析時鋼錨梁等效應力最大值214 MPa相比，應力值減小。應力較大區域也都位于相同區域即錨梁腹板與錨梁底板焊接角點處。

3 結論

以某特大斜拉橋為工程背景，對索塔錨固區鋼錨梁結構進行了多工況受力計算分析，得出以下結論。

(1)本文重點針對成橋階段牛腿頂板與鋼錨梁底板之間的摩擦作用對牛腿頂板應力影響大小進行分析，通過線性分析與非線性分析結果的對比，發現考慮摩擦作用后牛腿頂板應力增大了約50%。為保證結構安全，在對鋼錨梁受力進行分析時不可忽略牛腿頂板與鋼錨梁底板之間的摩擦作用。

(2)考慮預應力作用的非線性分析得到的鋼錨梁結構及牛腿結構的等效應力均大于不考慮預應力作用的非線性分析得到的鋼錨梁結構及牛腿結構的等效應力，牛腿頂板應力增長最為明顯，增大約36%。為保證結構安全，在對錨固區計算分析時應考慮預應力的作用。

(3)通過對運營工況和斷索工況下分析結果的對比，斷索工況下混凝土的主壓應力明顯增大，且牛腿頂板的應力較運營工況增大約40%，設計時應考慮不平衡索力的影響，加強焊縫設計，保證結構的安全性。

(4)在3種工況作用下，鋼錨梁腹板與底板焊接角點處、牛腿壁板與頂板及腹板焊接部位均存在應力集中現象，屬于受力薄弱部位，實際施工及運營過程中應加強對薄弱部位的檢測。