斜拉橋索梁錨固區(qū)受力有限元分析及其優(yōu)化設(shè)計

劉 雯 宋緒丁 趙 巖 趙 濤

（長安大學道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室 西安 710061）

斜索在鋼箱主梁上的錨固區(qū)是斜拉橋結(jié)構(gòu)中一個極其重要的部位之一，巨大的索力由它傳遞給鋼箱主梁［1］。由于錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)傳力途徑明確、索力傳遞流暢而廣泛應(yīng)用于大跨度鋼箱梁斜拉橋的建造。國內(nèi)已建成的南京長江二橋、南京長江三橋、安慶長江大橋均采用錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)。由于斜拉橋索梁錨固區(qū)受力集中、結(jié)構(gòu)復雜，對該傳力結(jié)構(gòu)進行靜載強度的研究是十分必要的。本文依托工程實例，采用有限元分析法對錨固區(qū)進行應(yīng)力的計算，研究了錨箱式錨固結(jié)構(gòu)，這種錨固結(jié)構(gòu)是在腹板外側(cè)焊接柱式鋼錨箱，拉索錨固在鋼錨箱的承壓板上。它的傳力途徑是將巨大的索力傳遞給承壓板，承壓板將力傳遞給腹板，通過腹板傳遞給部分橋面，應(yīng)用這種錨固結(jié)構(gòu)的橋梁越來越多。

1 工程概況

某公路大橋主橋為雙塔雙索面單側(cè)混合梁斜拉橋，橋跨布置為70m＋75m＋84m＋818m＋233．5m＋124．5m，主跨跨徑為818m，斜拉索為扇形空間雙面所，密索體系，錨固箱結(jié)構(gòu)見圖1。錨固區(qū)主要由承壓板、加勁板以及錨墊板組成。這種錨固結(jié)構(gòu)不僅空間結(jié)構(gòu)復雜［2］，而且在斜拉索巨大的拉力作用下，錨固區(qū)域的應(yīng)力分布規(guī)律也比較復雜，需要進行細致的分析。

由于鋼錨箱的位置變化，它與橋面的夾角也會有變化，那么導致作用在錨固區(qū)的作用力也會發(fā)生很大的變化。由于每個梁段的錨固箱模型尺寸不一樣，故以某梁段錨固箱模型為例進行分析。本梁段錨固區(qū)與橋面的的夾角為27．494°，錨固區(qū)的模型見圖1，各個板件厚度見表1。

圖1 鋼錨箱示意圖

表1 各板件厚度 mm

2 有限元模型的建立

計算模型選取錨固區(qū)域的鋼錨箱以及部分橋面板結(jié)構(gòu)，錨固區(qū)域的模型包括錨固箱以及部分橋面，加勁板以及一個橫隔板。

鋼錨箱的錨墊板（N4）與承壓板（N3）為頂緊接觸，受力復雜，為有效模擬錨墊板（N4）與承壓板之間的作用，鋼錨箱承壓板與錨墊板緊密貼在一起，兩者為非線性接觸問題，即在錨墊板（N4）與承壓板（N3）之間建立接觸單元，通過錨墊板與承壓板之間的受力計算來判斷兩者的接觸面積，整個模型當中，除了錨墊板采用塊體單元，其他板件均采用板殼單元，不考慮錨管的作用，所以在建立模型時，沒有建立錨管有限元模型，建立的局部離散有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型

3 索力大小的確定及其結(jié)果分析

3．1 最不利索力的確定

近橋塔側(cè)的節(jié)段模型截面上所有節(jié)點固定［3］，采用UX，UY，UZ3個方向分別固定。由于索力直接作用于錨墊板，故在錨墊板上建立受力圓環(huán)，鋼箱梁及錨鋼材料選用Q345結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為206GPa，泊松比為0．3，參考本橋梁設(shè)計的斜拉索錨具參數(shù)表，得知此處模型對應(yīng)的受力最大的錨圓環(huán)外徑為405mm；參考本橋梁設(shè)計的斜拉索索力表，得知對應(yīng)運營階段最大索力為5 660．6kN，經(jīng)計算得到圓環(huán)受力的大小為135 707kN。

3．2 有限元計算結(jié)果分析

在承受最大索力5 660．6kN時，計算得到圓環(huán)受力的大小為135 707kN。求解有限元模型之后［4］，承壓板與主梁腹板連接區(qū)域von Miss應(yīng)力最大值為158MPa，加勁板（N6）von Miss應(yīng)力最大值為183MPa，加勁板（N6′）von Miss應(yīng)力最大值為281MPa，應(yīng)力分布見圖3。

圖3 加勁板N6′應(yīng)力云圖

通過查看應(yīng)力云圖3可知，加勁板（N6′）與外腹板鏈焊接區(qū)域應(yīng)力最大，這是因為應(yīng)力由承壓板傳遞給加勁板（N6′），同時加勁板（N6′）又將壓力傳遞給外腹板的緣故，此處尖角較為突出，故應(yīng)力比較大。

建議：承壓板與腹板之間還有3個加勁板，通過查看應(yīng)力云圖，可見加勁板最邊處應(yīng)力最大，即與腹板接觸的焊縫出應(yīng)力最大，應(yīng)該對此處進行倒圓角，并且經(jīng)常對此處進行查看，維修，加強對此處的關(guān)注。

4 優(yōu)化方案

考慮到錨固區(qū)結(jié)構(gòu)復雜，應(yīng)力由承壓板傳遞給外腹板時，3個加勁板N6′的應(yīng)力集中較為明顯，并且應(yīng)力高達281MPa，這主要是因為加勁板N6′與錨墊板在焊接處尖角突出，設(shè)計不合理的緣故，原加勁板N6′尺寸示意圖見圖4。為了使加勁板在傳遞應(yīng)力時減少尖角處的應(yīng)力集中現(xiàn)象［5－6］。因此，設(shè)計了見圖5所示的優(yōu)化方案。對加勁板尖角處進行倒角，在保證焊縫長度不變的情況下，對焊接尖角處均采取R＝17mm的倒角形式，修改后的尺寸示意圖見圖5，優(yōu)化方案有限元計算結(jié)果見圖6。

圖4 原加勁板尺寸示意圖

圖5 改進后加勁板尺寸示意圖

圖6 改進后加勁板受力云圖

由上圖可以看出，優(yōu)化設(shè)計后的N6′最大應(yīng)力得到很大程度的減少，由原來的281MPa減少到209MPa，緩解了尖角處的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此改進后方案可行。

5 結(jié)論

通過對索梁錨固區(qū)的有限元建模以及應(yīng)力分析可知，鋼錨箱構(gòu)件的最大應(yīng)力均滿足要求；索梁錨固區(qū)的加勁板邊角處的von Miss應(yīng)力值達到281MPa，是結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的區(qū)域。通過對加勁板的尺寸進行優(yōu)化設(shè)計，可以很大程度上減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，可見優(yōu)化方案可行，建議在實際的工程應(yīng)用中采取該優(yōu)化方案。

［1］ 陳明憲．我國大跨徑斜拉橋的建設(shè)與展望［R］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2002．

［2］ 黃 勇，程曉東，曾進忠．斜拉橋索梁錨固區(qū)受力情況的三維有限元分析［J］．西南交通大學報，2007（2）：10－18．

［3］ 侯文崎，葉梅新．結(jié)合梁斜拉橋錨拉板結(jié)構(gòu)研究［J］．鋼結(jié)構(gòu)，2002，17（2）：23－27．

［4］ 王嘉弟，趙廷衡．斜拉橋鋼箱梁索梁錨固區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變分析［J］．橋梁建設(shè)，1997（4）：20－25．

［5］ 楊奇志．大跨連續(xù)梁橋加固設(shè)計［J］．公路交通科技，2011（2）：14－16．

［6］ 劉炎海，劉志鑫，劉鳳奎．三索面斜拉橋索塔錨固區(qū)應(yīng)力及優(yōu)化分析［J］．建筑科學，2010（11）：16－17．