懸索橋柔性中央扣錨固系統(tǒng)受力分析

曹永睿，柴增鏵

(北京建達(dá)道橋咨詢有限公司，北京 100015)

懸索橋是以主纜受拉為主要承重構(gòu)件的柔性纜索橋梁結(jié)構(gòu)。在活載、制動(dòng)力和風(fēng)荷載的作用下，加勁梁與主纜之間縱橋向、橫橋向會(huì)產(chǎn)生相對位移，吊索出現(xiàn)傾斜和局部彎曲，特別在主跨跨中位置吊索最短，受其影響最大。分析表明，懸索橋跨中設(shè)置中央扣可有效地提高全橋剛度，減小加勁梁的縱向位移，增大整體的自振頻率，并可部分改善跨中位置吊索的彎折和疲勞問題［1］。索梁錨固結(jié)構(gòu)是一個(gè)傳力復(fù)雜，局部應(yīng)力大且應(yīng)力集中效應(yīng)明顯，易出現(xiàn)疲勞和強(qiáng)度破壞的區(qū)域［2］，必須采用空間有限元的方法對其進(jìn)行局部受力分析，以獲得系統(tǒng)中各個(gè)板件的應(yīng)力分布情況和規(guī)律。耳板式索梁錨固系統(tǒng)在鋼箱梁斜拉橋上已有大量應(yīng)用，有限元仿真分析和模型試驗(yàn)結(jié)果共同驗(yàn)證了這種索梁錨固結(jié)構(gòu)傳力的可靠性和構(gòu)造的合理性［3-5］

本文詳細(xì)介紹了柔性中央扣系統(tǒng)的構(gòu)造和設(shè)置方法，并基于大型通用有限元分析程序ANSYS對耳板式中央扣斜拉索、梁錨固系統(tǒng)進(jìn)行了空間有限元分析，研究了該系統(tǒng)的傳力機(jī)理及應(yīng)力分布情況，取得了一些有價(jià)值的結(jié)果，為今后在同類懸索橋上設(shè)置柔性中央扣時(shí)提供了有意義的參考。

1 工程背景

岳陽洞庭湖二橋主橋?yàn)橹骺? 480 m的鋼桁加勁梁懸索橋，主纜分跨為(460+1 480+491)m，主纜矢跨比為1/10，主纜橫橋向間距為35.4 m，吊索順橋向間距為16.8 m。主橋總體立面如圖1所示。

圖1 主橋總體立面(單位:m)

主梁為考慮板桁共同作用的板桁結(jié)合鋼桁加勁梁。鋼桁梁由主桁架、主橫桁架、下平聯(lián)和鋼橋面系組成，主桁節(jié)點(diǎn)采用焊接整體節(jié)點(diǎn)板技術(shù)。主桁架的桁高為9 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間長為16.8 m，兩片主桁架左右弦桿中心間距與主纜間距相同均為35.4 m。主桁架為帶豎腹桿的華倫式結(jié)構(gòu)，由上弦桿、下弦桿、豎腹桿和斜腹桿組成。主橫桁架采用單層桁架結(jié)構(gòu)，由上橫梁、下橫梁、外側(cè)斜腹桿、豎腹桿和內(nèi)側(cè)斜腹桿組成。下平聯(lián)采用K形體系。鋼橋面系采用正交異性橋面，由橋面板、U形加勁肋、縱向板肋、橋面橫梁、橋面橫肋和工字形縱梁組成，主橋橫斷面布置圖如圖2所示。

圖2 主梁橫斷面布置(單位:mm)

主纜采用預(yù)制平行鋼絲索股(PPWS)，小邊跨和主跨由175股、大邊跨由181股，每股由127根直徑為5.35 mm、公稱抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa的高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲組成。吊索分為兩類:一類是直徑68 mm、公稱抗拉強(qiáng)度1 870 MPa的鋼絲繩，結(jié)構(gòu)形式為8×41WS+IWR;另一類是直徑88 mm、公稱抗拉強(qiáng)度1 960 MPa的鋼絲繩，結(jié)構(gòu)形式為8×55SWS+IWR。吊索與索夾為騎跨式連接，與鋼桁梁為銷鉸式連接。

索塔采用門式框架塔，索塔單塔柱下設(shè)40根D280樁基礎(chǔ)。兩岸錨碇均為地連墻基礎(chǔ)重力式錨。起點(diǎn)側(cè)索塔處加勁梁設(shè)橫向抗風(fēng)支座，終點(diǎn)側(cè)索塔及錨碇處設(shè)豎向支座和橫向抗風(fēng)支座。

2 柔性中央扣設(shè)置方法及梁端錨固方式研究

中央扣自從1950年在Tacoma新橋上使用以來，發(fā)展形成了3種設(shè)置方式:①用剛性三角桁架將主纜與加勁梁聯(lián)結(jié)，使纜、梁在跨中處相對固定，即剛性中央扣;②在跨中加設(shè)1對或多對斜吊索來建立纜梁縱向約束，即柔性中央扣;③將主纜直接與加勁梁相聯(lián)結(jié)。壩陵河大橋在國內(nèi)首次采用了柔性中央扣，矮寨大橋也采用了柔性中央扣。

本橋在每根主纜跨中設(shè)5個(gè)鋼絲繩柔性中央扣，對稱布置于跨中中間吊索兩側(cè)。柔性中央扣主要包括3部分:中央扣拉索系統(tǒng)、主纜中央扣索夾系統(tǒng)和加勁梁錨固系統(tǒng)。

中央扣拉索系統(tǒng)采用直徑88 mm、公稱抗拉強(qiáng)度1 960 MPa的鋼絲繩，結(jié)構(gòu)形式為8×55SWS+IWR;索夾處為騎跨式連接，加勁梁處為承壓式熱鑄錨頭;錨頭由錨杯和螺母組成，錨杯內(nèi)澆鑄鋅銅合金，使鋼絲繩與錨杯相連，調(diào)節(jié)螺母可以消除制造、安裝誤差，材料采用35CrMo合金鋼。

主纜中央扣索夾系統(tǒng)采用左右對合的結(jié)構(gòu)形式，左、右兩半索夾用螺桿緊箍于主纜上，接縫處嵌填入橡膠防水條，索夾上另外加設(shè)兩個(gè)能套掛短斜索的由凸肋條形成的凹槽。中央扣索夾設(shè)計(jì)長度3.38 m，壁厚45 mm，材料為ZG20Mn的低合金鋼鑄件。索夾上下安裝25個(gè)高強(qiáng)螺栓，提供足夠的緊箍力，防止在縱向荷載作用下主纜和索夾間的相對滑移。

柔性中央扣斜拉索梁端錨固系統(tǒng)采用耳板式(銷鉸式)錨固系統(tǒng)，該方案中央扣構(gòu)造如圖3和圖4所示。該錨固系統(tǒng)由上弦桿腹板向上擴(kuò)展出的整體節(jié)點(diǎn)板形成的耳板和主桁架上弦桿腹板間的兩塊橫向加勁肋焊接而成。在錨固耳板上開有銷孔，在銷孔兩側(cè)設(shè)置了兩塊貼板對耳板銷孔處進(jìn)行加強(qiáng)。

圖3 中央扣斜拉索構(gòu)造

3 中央扣梁端錨固系統(tǒng)局部受力分析

圖4 梁端中央扣節(jié)點(diǎn)構(gòu)造(單位:mm)

中央扣斜拉索索力通過下端的叉形吊耳傳遞給銷鉸連接件，銷鉸連接件又傳遞給錨固耳板，之后通過上弦桿腹板逐步將索力傳遞到整個(gè)主桁架結(jié)構(gòu)。錨固系統(tǒng)中銷鉸連接傳力情況復(fù)雜，銷軸主要受剪、受彎以及承壓;耳板孔壁承壓，孔側(cè)、孔端截面受拉，切面上的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分布很不均勻。大部分區(qū)域處于雙向應(yīng)力狀態(tài)，為了解錨固系統(tǒng)的應(yīng)力分布必須對其進(jìn)行空間有限元分析。總體計(jì)算時(shí)中央扣斜拉索的最大索力為1 250 kN，計(jì)算時(shí)以此索力為外荷載施加到模型上。

分析時(shí)選取跨中附近兩對中央扣交匯位置的鋼桁梁加勁梁段為研究對象。為了減小邊界條件對計(jì)算模型的影響，根據(jù)圣維南原理和加勁梁結(jié)構(gòu)的對稱性，在沿橋縱向取16.8 m長的梁段為研究對象，即從中央扣中心線沿橋跨方向兩側(cè)鋼桁梁8.4 m一個(gè)節(jié)間。模型的兩端位于相鄰節(jié)間的吊索中心，不考慮模型端部吊索的影響。橫向取至橋面跨度一半處，豎向取整個(gè)鋼桁梁結(jié)構(gòu)?？紤]到所取的主梁節(jié)段足夠長，局部分析模型的邊界條件為:縱橋向模型兩端截面上所有節(jié)點(diǎn)固結(jié);橫橋向在主梁節(jié)段模型的橫向橋面寬度一半處截面上施加對稱約束。

建模時(shí)將整個(gè)結(jié)構(gòu)視為勻質(zhì)彈性體，鋼桁梁及鋼錨箱材料選用Q345qD結(jié)構(gòu)鋼，各向同性材料，彈性模量取為 2×105MPa，泊松比為 0.3，密度為7 850 kg/m3。鋼桁梁各弦桿和正交異性橋面板均用ANSYS程序中的4節(jié)點(diǎn)彈性殼Shell63單元進(jìn)行模擬?？紤]到耳板銷孔兩側(cè)焊有貼板進(jìn)行加固，該貼板區(qū)域用8節(jié)點(diǎn)彈性厚殼單元shell93模擬。加載時(shí)假定索力通過銷軸均勻施加在耳板銷孔沿斜拉索方向的上部半圓環(huán)上。有限元模型共計(jì)50 471個(gè)節(jié)點(diǎn)、51 733個(gè)單元。

圖5 中央扣Mises應(yīng)力(單位:MPa)

中央扣錨固耳板Mises應(yīng)力分布如圖5所示。由圖5可以看出，在沿索力方向與銷軸接觸的孔壁附近出現(xiàn)了小范圍的應(yīng)力集中，最大Mises應(yīng)力為237.1 MPa。由于銷軸對孔壁的擠壓，形成巨大的局部壓力，因此耳板銷孔前半周的應(yīng)力最大。遠(yuǎn)離銷孔側(cè)的節(jié)點(diǎn)板上應(yīng)力分布較均勻，應(yīng)力擴(kuò)散很快。應(yīng)力數(shù)值均在130 MPa以下，說明耳板兩側(cè)貼板對銷孔起到了很好的加強(qiáng)和應(yīng)力分散作用。耳板內(nèi)兩塊加勁板應(yīng)力數(shù)值并不大，說明加勁板并不是主要的傳力構(gòu)件，僅起到在橫向保持節(jié)點(diǎn)板穩(wěn)定的作用。計(jì)算結(jié)果表面，該錨固系統(tǒng)的應(yīng)力分布情況能滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文以在建的岳陽洞庭湖二橋主橋?yàn)槔?，研究了柔性中央扣的?gòu)造組成和錨固系統(tǒng)的傳力機(jī)理，并采用空間有限元方法建立了耳板式錨固系統(tǒng)的局部受力計(jì)算模型，分析了錨固區(qū)的應(yīng)力分布和應(yīng)力集中現(xiàn)象。根據(jù)以上分析可以得出如下結(jié)論:

耳板式錨固系統(tǒng)錨固區(qū)應(yīng)力在耳板銷孔附近很小范圍內(nèi)數(shù)值較大，在耳板銷孔兩側(cè)設(shè)置貼板對其進(jìn)行加強(qiáng)后，銷孔外其余位置應(yīng)力擴(kuò)散很快，應(yīng)力傳遞流暢。另外銷鉸接頭帶有自潤滑軸承，可減小斜拉索的彎折，改善斜拉索的工作條件。

在進(jìn)行鋼桁梁懸索橋柔性中央扣索、梁錨固方式設(shè)計(jì)時(shí)，可優(yōu)先考慮在梁端采取耳板式錨固系統(tǒng)。此種錨固系統(tǒng)構(gòu)造簡單，后期檢修維護(hù)方便，更適合在索力不太大又受結(jié)構(gòu)安裝空間限制的鋼桁梁懸索橋上使用。

［1］高劍，劉高，曾宇.貴州壩陵河鋼桁架懸索橋中央扣設(shè)計(jì)［C］//中國公路學(xué)會(huì)橋梁和結(jié)構(gòu)工程分會(huì)2007年全國橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京:人民交通出版社，2007:101-106.

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