大跨徑斜拉橋索梁錨固區鋼錨箱受力分析與設計方法研究

呂 凱

（蘇交科集團股份有限公司, 江蘇 南京 210000）

0 引言

對已建成大跨徑斜拉橋的不完全統計顯示，世界上跨徑排名前10的斜拉橋中有7座在中國[1]。為了減輕自重、提高跨越能力，大跨斜拉橋的主跨通常采用鋼主梁或鋼混疊合梁，邊跨除了可以采用與主跨相同主梁形式外，也可采用自重較大的混凝土梁以減小邊跨跨徑。不同于混凝土主梁可以設置錨固斜拉索的齒塊，鋼主梁需要設置專門的索梁連接結構以保證拉索與主梁間傳力順暢。

常見的鋼主梁索梁傳力結構包括錨箱、錨拉板、耳板以及錨管4種。李小珍等[2]對這4種傳力結構的構造與受力進行了對比研究，發現無論哪種結構形式在索力的作用下均會發生應力集中現象，但只要采用合理的構造與板厚，依然能夠實現設計要求的傳力功能。張清華等[3]對蘇通大橋鋼錨箱進行了試驗研究，明確了索力在鋼錨箱中的傳遞路徑及整個錨箱的受力模式。

錨箱通常設置在主梁邊腹板外側，當雙邊箱斜拉橋主梁拉索外側設有較寬的非機動車道時，也可設置于箱內。無論錨箱位于何處，其主要傳力結構均為垂直于主梁腹板設置的兩塊平行板件(錨箱頂、底板)，索力主要通過錨箱頂、底與腹板間的焊縫進行內力傳遞。為了使索力傳遞平順，以上兩塊平行板件還要輔以適當的加勁肋以及較厚的承壓板，進而形成一個單面開口的箱型結構，也就是錨箱。基于以上分析可以發現，錨箱內力主要傳遞路徑為：錨箱承壓板→錨箱頂、底板→主梁腹板。

該文基于某雙塔五跨鋼混疊合梁斜拉橋鋼錨箱的設計過程，對索梁錨箱的受力特點和設計方法進行研究和總結，供從事設計工作的同行參考。

1 計算模型

某雙塔五跨鋼混疊合梁斜拉橋，主跨為530 m鋼—混疊合梁，邊跨為總長188 m的混凝土梁，跨內設輔助墩，鋼混接頭位于中跨橋塔附近。橋塔為寶石形，采用鋼筋混凝土結構，水平方向配置環向預應力鋼束，放置主梁的下橫梁以上橋塔全高159.4 m。拉索采用扇形布置，橋塔自上而下索距為2.5 m、2.75 m和3 m，采用鋼牛腿+鋼錨梁的錨固形式；中跨主梁索距10.5 m，采用腹板外側設鋼錨箱的錨固形式；邊跨主梁拉索距7.2 m，拉索穿過外腹板錨固在混凝土梁底部的齒塊上。

采用通用有限元軟件ANSYS建立主跨局部鋼梁及錨箱的有限元模型（如圖1），為消除圣維南效應的影響，鋼梁建模范圍為錨箱前、后、橫向6 m范圍；鋼板采用SHELL63單元模擬；約束近橋塔側鋼梁邊緣的縱橋向和豎向自由度，約束遠橋塔側鋼梁邊緣的豎向自由度以及橫向鋼梁邊緣的橫向自由度。

圖1 錨箱有限元模型

由總體計算結果可知（見表1），主跨跨中M1錨箱索力最大，靠近橋塔的M4錨箱索力最小，分別為9 103 kN和4 324 kN。以M1、M4鋼錨箱作為典型對象進行建模分析[4]，索力施加在鋼錨箱錨環范圍內。

表1 錨箱相關板件厚度 /mm

2 結果分析

承壓板、墊板等效板上的應力分布如圖2所示，承壓板應力水平較低，除M4錨箱局部有最大值116.7 MPa的應力集中外，大部分區域應力在70 MPa以下。可見在墊板和承壓板具有足夠抗彎剛度且合理設置加勁肋的情況下，斜拉索錨下荷載可以順利傳遞至錨箱頂、底板與加勁肋組成的框架上，不會在錨墊板上產生過大的彎曲應力。

圖2 承壓板Mises應力（單位：kPa）

鋼錨箱內外加勁板應力分布如圖3所示。鋼錨箱外側加勁板應力高于內側，在加勁板與承壓板相交的外邊沿以及M1錨箱的手孔處有一定應力集中，最大值194 MPa。其他區域應力水平較低且距錨固板較遠的位置應力很小，可以適當減小腹板及加勁肋的長度。

圖3 腹板、加勁肋Mises應力（單位：kPa）

根據錨箱頂、底板的應力分布圖，頂、低板前端與主梁腹板接觸位置產生了數值較大的應力集中，最大值遠超鋼材設計強度，達到635 MPa。無論采用哪種錨固體系都不能避免應力集中現象的發生。試驗研究表明，板件小范圍應力超過材料屈服強度不會對結構的受力安全性造成影響。通過將應力云圖的顯示范圍設置在150 MPa以下后發現，應力集中范圍很小，大部分區域的應力水平不超過150 MPa。實際中可以通過小范圍的塑性變形來釋放該位置的應力，不會擴散對結構整體造成影響。通過計算同時可以發現，應力集中位置上方區域應力水平較低，實際設計中可以增大該位置的倒角尺寸。

根據主梁腹板應力分布圖（圖4），主梁腹板應力水平總體較低，僅在錨箱頂板、承壓板與腹板相交的小范圍內有應力集中發生，最大值249.0 MPa。通過進一步觀察可以發現，兩處應力集中均發生在板件末端剛度突變的位置，腹板內側均設置了豎向加勁肋。

圖4 主梁腹板 Mises應力分布（單位：kPa）

根據主梁內豎向加勁板的應力分布圖，加勁板與頂板及腹板相交位置的應力水平較高，實際中通過焊孔釋放該位置的應力。

通過以上分析可知，采用設計板厚時鋼錨箱及鄰近主梁區域各板件受力狀況良好，僅腹板局部存在小范圍的應力集中，均未超過材料的設計強度。

3 結論

承壓板將索力傳遞至錨箱頂、底板，自身則承受錨下彎曲應力的作用；鋼錨箱頂、底板遠塔端受到承壓板傳來的壓力，再通過與主梁腹板相接的焊縫將壓力傳遞至主梁上。錨箱加勁肋與頂、底板組成框架體系，有助于減小承壓上的彎曲應力；錨箱腹板及加勁肋承受部分拉索壓力，而后通過縱向焊縫傳遞至錨箱頂、底板上，能夠降低頂、底板與承壓板接觸區域的應力水平；合理地設置錨箱腹板及加勁板可以提高錨箱整體性及剛度，防止錨箱在索力作用下發生不利于受力的變形。