斜拉橋鋼塔柱外置式鋼錨箱局部應(yīng)力分析

高碧波

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300142)

斜拉橋鋼塔柱外置式鋼錨箱局部應(yīng)力分析

高碧波

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300142)

結(jié)合國內(nèi)某大跨度斜拉橋，介紹了其索塔外置式鋼錨箱的構(gòu)造特點(diǎn)，采用空間有限元方法對其索塔鋼錨箱節(jié)段模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)受力分析，最后指出了索塔錨固區(qū)的應(yīng)力分布特點(diǎn)。結(jié)果表明：鋼錨箱雖然板件較多，但整體性能好，索力傳遞流暢；該結(jié)構(gòu)部分區(qū)域存在一定程度的應(yīng)力集中，在斜拉索索力作用下，結(jié)構(gòu)的承載力滿足設(shè)計(jì)要求，并具有一定的安全儲備。

鋼錨箱 有限元分析 斜拉橋 應(yīng)力集中

1 工程概況

某開發(fā)區(qū)大橋由主橋及兩側(cè)引橋組成，主橋?yàn)橹С畜w系獨(dú)塔斜拉橋[3]，跨徑布置為100 m+100 m=200 m，塔高80 m。全橋跨徑布置：引橋(5×30 m+5×30 m)+主橋(100 m+100 m)+引橋(5×30 m+5×30 m)=800 m。引橋分上下行兩幅橋，主橋?yàn)檎w單幅橋。

主橋橫斷面布置為：1.5 m索區(qū)+2.25 m人行道+3.5 m非機(jī)動車道+0.5 m護(hù)欄+12 m機(jī)動車道(0.5 m+3.75 m+3.5 m×2+0.75 m)+0.5 m護(hù)欄+12 m機(jī)動車道(0.75 m+3.5 m×2+3.75 m+0.5 m)+0.5 m護(hù)欄+3.5 m非機(jī)動車道+2.25 m人行道+1.5 m索區(qū)，總寬40 m。

本橋采用空間布置的雙索面斜拉索，每個索塔分別有12對索，塔上斜拉索索距由2.7 m漸變至3.7 m，主梁上斜拉索索距7 m。主橋總體布置圖如圖1所示。

圖1 主橋總體布置(單位：cm)

從橋梁美學(xué)的角度出發(fā)，本橋主梁采用2.5 m高的全封閉鋼箱梁形式；橋塔采用鋼箱型弧形結(jié)構(gòu)形式，決定了該橋橋塔須采用鋼箱型結(jié)構(gòu)，弧形鋼塔結(jié)構(gòu)與24對斜拉索形成空間索型布置，結(jié)構(gòu)錯落有致，富有韻律感。

2 塔柱外置式鋼錨箱基本構(gòu)造

索塔錨固區(qū)直接承受強(qiáng)大的索力集中荷載，對斜拉橋而言極為關(guān)鍵[4]。本橋縱向靠近橋塔的4對斜拉索與橋塔的夾角較小，因此采用了外置式鋼錨箱結(jié)構(gòu)，該位置塔壁板、塔柱腹板等厚度均為20 mm，錨墊板厚度40 mm，錨墊板下承壓板厚度40 mm，錨下垂直于塔壁板的N3板件厚度為30 mm，平行塔壁板的N4板件及N5、N6加勁肋厚度為20 mm，塔柱內(nèi)部對應(yīng)鋼錨箱位置設(shè)置了橫向及縱向加勁肋，厚度均為20 mm，鋼錨箱和橋塔均采用Q345qE[5]鋼材，斜拉索外置鋼錨箱三維示意見圖2。為了驗(yàn)證索塔錨固區(qū)的傳力機(jī)理，分布規(guī)律，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性，對索塔錨固區(qū)進(jìn)行了局部應(yīng)力分析。

圖2 斜拉索外置鋼錨箱三維示意

3 有限元計(jì)算

3.1 有限元模型

采用大型有限元程序ABAQUS，單元類型選擇殼單元S4R。根據(jù)彈性力學(xué)中的圣維南原理[6]，結(jié)合部位的應(yīng)力分析只與其附近區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，而遠(yuǎn)離該部位區(qū)域中的應(yīng)力狀態(tài)，對結(jié)合部位的應(yīng)力分布影響很小，一般可以忽略不計(jì)。因?yàn)樗槝蛳虻膶ΨQ性，截取了塔柱截面的一半進(jìn)行分析。豎向上截取了4 m塔柱進(jìn)行分析。計(jì)算時，考慮了部分塔柱壁板及腹板區(qū)域，如圖3所示。

基于物種豐富度估計(jì)的結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)物種豐度估計(jì)量為48種，在5種棲息地獲取的步甲總數(shù)為42種，抽樣完整度為88.4%。依據(jù)樣地分布的步甲數(shù)據(jù)繪制物種累積曲線，由圖2可知，曲線先急劇上升再逐漸平緩，最后形成一條漸近線，表明本次試驗(yàn)取樣充分，樣本數(shù)據(jù)對實(shí)際整體數(shù)據(jù)的代表性強(qiáng)，可進(jìn)行下一步分析。

圖3 外置式錨固區(qū)有限元模型

3.2 邊界及荷載條件

將鋼塔柱節(jié)段頂?shù)撞孔龉探Y(jié)處理，約束全部自由度，鋼塔柱順橋向?qū)ΨQ面上施加對稱約束。由于施工狀態(tài)斜拉索的安全系數(shù)不應(yīng)小于2.0，斜拉索錨具的安全系數(shù)不應(yīng)小于斜拉索的安全系數(shù)[7]，故取斜拉索應(yīng)力為0.5倍抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度時對應(yīng)的索力，換算為均布荷載的形式施加于錨墊板上。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 屈服準(zhǔn)則

索塔錨固區(qū)各板件鋼材在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下工作，鋼材的屈服并不僅僅取決于某一方向的應(yīng)力，而是由反映各方向應(yīng)力綜合影響的某個“應(yīng)力函數(shù)”，即所謂“屈服條件”來確定的。筆者以Von Mises屈服準(zhǔn)則[8]為依據(jù)，對錨固區(qū)應(yīng)力進(jìn)行評價判定。

Von Mises屈服條件[9]為

式中：s為Von Mises應(yīng)力，s1、s2、s3為3個方向主應(yīng)力；fy為鋼材的屈服強(qiáng)度。

4.2 位移計(jì)算結(jié)果

在斜拉索索力作用下，外置鋼錨箱及橋塔側(cè)板位移云圖如圖4、圖5所示，鋼錨箱位移最大值為1.56 mm。鋼塔柱壁板外鼓0.57 mm。錨墊板錨孔位置變形最大為1.2 mm。

圖4 斜拉索上錨箱位移(主視)

圖5 斜拉索上錨箱位移(側(cè)視)

4.3 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖6示出了鋼錨箱的應(yīng)力水平，可以看出，斜拉索的索力主要通過承壓板下的豎向板件傳遞剪力至塔柱，其他部位的應(yīng)力水平較小。鋼錨箱的最大Von Mises應(yīng)力為170.5 MPa，發(fā)生于N3板同塔壁板的連接角隅部位，該位置已設(shè)計(jì)圓角構(gòu)造并且明確焊縫平順要求，以利于減小應(yīng)力集中。

圖6 錨箱應(yīng)力

圖7 N1板應(yīng)力云

圖8 N2板應(yīng)力云

圖9 N3板應(yīng)力云

圖10 N4板應(yīng)力云

圖7～圖10為鋼錨箱主要板件應(yīng)力云圖，各板件的最大Von Mises應(yīng)力值如表1所示?？梢钥闯?，鋼錨箱腹板N3為主要傳力構(gòu)件，應(yīng)力水平較其他板件要高很多。

圖11 塔柱壁板應(yīng)力

圖11為塔柱壁板應(yīng)力云圖，由該圖可以看出，鋼塔柱壁板的附加應(yīng)力水平很小，僅在鋼錨箱附近承受局部應(yīng)力，隨著與鋼錨箱距離的增大，鋼塔柱壁板的附加應(yīng)力迅速減小。經(jīng)計(jì)算，塔壁板的最大附加應(yīng)力為178.2 MPa，位于鋼錨箱趾部，該部位設(shè)置倒圓角構(gòu)造并且明確焊縫質(zhì)量要求，盡量減少應(yīng)力集中。

圖12 塔柱腹板應(yīng)力

圖12為塔柱壁板應(yīng)力云圖，由該圖可以看出，塔柱腹板的最大應(yīng)力為176.1 MPa，位于鋼錨箱趾部周圍。

通過以上分析可知，該外置式鋼錨箱主要通過N3板件將斜拉索力產(chǎn)生的剪力傳至塔柱壁板。鋼錨箱趾部應(yīng)力水平較高，該范圍內(nèi)塔柱壁板、腹板及N3板Von Mises應(yīng)力分別達(dá)到178.2 MPa、176.1 MPa及170.5 MPa。另外在塔柱內(nèi)部同錨箱承壓板對應(yīng)設(shè)置的拉板應(yīng)力水平較高，達(dá)到209.9 MPa，其他部位應(yīng)力水平較低。該構(gòu)造傳力途徑明確流暢，板件應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

(1)利用大型通用有限元分析軟件，建立有限元模型，準(zhǔn)確地反映了鋼錨箱實(shí)際的幾何關(guān)系和傳力模式。空間有限元分析表明，本橋所采用的外置式鋼錨箱結(jié)構(gòu)受力合理，傳力流暢，承載力滿足規(guī)范要求。

(2)鋼錨箱在傳力焊縫區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中[10]，但應(yīng)力集中區(qū)域范圍較小，應(yīng)力幅值在允許范圍之內(nèi)，均小于250 MPa，且應(yīng)力擴(kuò)散較快，應(yīng)力傳遞較流暢，此部位為設(shè)計(jì)的控制部位，在設(shè)計(jì)中應(yīng)引起足夠重視，另外在施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制焊縫質(zhì)量。

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AnalysisofBuilt-outSteelAnchorBoxonCable-StayedBridgeCablePylon

GAO Bibo

2013-12-17

高碧波(1981—)，男，2008年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)橋梁工程專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。

1672-7479(2014)01-0097-04

U448.27； U441+.5

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