南洞庭勝天大橋塔上鋼錨梁受力性能研究

劉斌， 李瑜

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 湖南 長沙 410219；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院)

斜拉索作為大跨度斜拉橋的主要受力構(gòu)件和生命線，其兩端錨固結(jié)構(gòu)的可靠性將直接影響大橋的使用安全。其中斜拉橋塔上錨固結(jié)構(gòu)是承受斜拉索的巨大拉力，再將索力勻順地傳遞至索塔的重要構(gòu)造。斜拉索塔上錨固類型主要有鋼錨梁、錨箱及同向回轉(zhuǎn)索等。

鋼錨梁可將絕大部分斜拉索水平分力轉(zhuǎn)化為鋼結(jié)構(gòu)的自身軸力，大幅減小混凝土塔臂受力，在大跨度斜拉橋塔上錨固結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。鋼錨梁承受巨大的索力，構(gòu)造處理不當(dāng)將導(dǎo)致傳力路徑不明確、應(yīng)力集中而局部屈曲等嚴(yán)重后果。因此，研究鋼錨梁受力性能、明確鋼錨梁的傳力機(jī)理并優(yōu)化鋼錨梁構(gòu)造具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

該文以湖南南洞庭勝天大橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用整體桿系有限元計(jì)算和局部精細(xì)化的實(shí)體板殼有限元計(jì)算相結(jié)合的方法，研究大跨度斜拉橋塔上鋼錨梁的傳力機(jī)理和受力特性，為類似橋梁的設(shè)計(jì)研究提供參考。

1 工程背景

湖南南縣至益陽高速公路起點(diǎn)接岳常高速公路、終點(diǎn)接長常高速公路，與益陽繞城線相接，南洞庭勝天大橋是南縣至益陽高速公路的控制性工程。

勝天大橋主橋?yàn)?181.95+450+181.95) m雙塔雙索面斜拉橋，主橋長813.9 m，結(jié)構(gòu)整體為半漂浮體系，見圖1。索塔位置設(shè)豎向支座、橫向抗風(fēng)支座、縱向每個(gè)索塔設(shè)置2個(gè)黏滯性阻尼器；過渡墩設(shè)豎向支座。

圖1 南洞庭勝天大橋總體布置(除標(biāo)高單位為m外，其余：cm)

1.1 主梁

經(jīng)變更后最終實(shí)施的大橋主梁采用扁平鋼箱梁(圖2)，其頂板為正交異性鋼橋面板。箱梁全寬29.9 m，鋼梁中心線處梁高3 m(內(nèi)輪廓)，橋面設(shè)雙向2%橫坡。索梁連接錨拉板焊于邊腹板處的頂板上。鋼箱梁兩側(cè)設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)嘴，橋面鋪裝采用(改性澆筑式瀝青混凝土+高彈改性瀝青混凝土)結(jié)構(gòu)形式，總厚度為7.5 cm。

圖2 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：mm)

1.2 索塔

南洞庭勝天大橋索塔整體塔型采用寶瓶形索塔。索塔塔柱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橫梁張拉預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。主塔全高(從承臺(tái)頂面起算)小里程岸橋塔為154.298 m，大里程岸橋塔為159.798 m。

塔柱采用空心矩形斷面，塔柱縱橋向?qū)?～9 m，橫橋向?qū)?.8～8.0 m。在索塔橫向外側(cè)刻有深度30 cm的景觀槽。

1.3 鋼錨梁

南洞庭勝天大橋斜拉索塔端錨固采用鋼錨梁形式，鋼錨梁的豎向支撐采用鋼牛腿形式。單個(gè)索塔鋼錨梁共34套。具體構(gòu)造見圖3。

圖3 鋼錨梁立面布置圖(單位：mm)

2 傳力機(jī)理分析

2.1 水平傳力機(jī)理分析

斜拉索分別錨固在鋼錨梁兩端的錨墊板上，錨墊板通過兩側(cè)的斜腹板將索力傳遞給鋼錨梁，豎向分力傳遞給鋼牛腿，水平分力則大部分轉(zhuǎn)化為鋼錨梁內(nèi)力，剩余較小的水平分力再傳遞至索塔。不同受力狀態(tài)下，鋼錨梁、鋼牛腿的約束條件有所不同，恒載時(shí)為一端固定一端順橋向滑動(dòng)(邊跨側(cè)可滑動(dòng))，成橋后為兩端固定。

(1) 一端固定、另一端順橋向滑動(dòng)

斜拉索索力的橫向水平力均通過兩端的高強(qiáng)螺栓，先傳遞至鋼牛腿，再由鋼牛腿傳至索塔。

斜拉索索力的順橋向水平分力可通過鋼錨梁自身平衡；兩側(cè)斜拉索水平分力不相等時(shí)，剩余水平力由固定約束端高強(qiáng)螺栓抗剪以及滑動(dòng)約束端鋼錨梁和鋼牛腿間的摩擦，將力傳遞至混凝土索塔。

勝天大橋滑動(dòng)端鋼錨梁與牛腿間設(shè)四氟滑板，摩擦系數(shù)小，即摩擦力對(duì)混凝土所受力的影響小。故在有限元分析計(jì)算時(shí)，未考慮滑動(dòng)端鋼錨梁與鋼牛腿間的摩擦。

(2) 兩端固結(jié)

斜拉索索力的橫向水平分力通過兩端的高強(qiáng)螺栓和焊縫傳至鋼牛腿，再由鋼牛腿傳至索塔。而順橋向水平分力一部分由鋼錨梁承擔(dān)，另一部分通過兩端的高強(qiáng)螺栓和焊縫，傳遞給鋼牛腿，由鋼牛腿傳遞給索塔。鋼錨梁與混凝土塔臂通過變形協(xié)調(diào)來分配斜拉索水平分力。

2.2 豎向傳力機(jī)理分析

直接作用在鋼錨梁上的斜拉索索力，主要通過鋼-混凝土和剪力釘界面摩擦等傳遞至混凝土塔臂，其中剪力釘、鋼牛腿腹板和PBL鍵是傳遞剪力及變形協(xié)調(diào)的傳力構(gòu)件。

在斜拉索豎向分力的作用下鋼牛腿發(fā)生豎向變形引起剪力釘和鋼牛腿腹板彎曲和剪切變形，把斜拉索豎向力從剪力釘和鋼牛腿腹板傳遞到混凝土塔臂上，鋼牛腿和混凝土塔臂協(xié)調(diào)變形，完成拉索豎向力的分配。

3 鋼錨梁受力特性

3.1 整體計(jì)算結(jié)果

全橋采用空間有限元Midas程序計(jì)算，其中斜拉索采用只受拉單元模擬，其余單元采用梁?jiǎn)卧M。

根據(jù)整體計(jì)算結(jié)果，考慮恒載、活載、汽車制動(dòng)力、溫度力、風(fēng)荷載及不均均沉降等荷載的綜合作用，按規(guī)范要求進(jìn)行組合，斜拉索的恒載索力及最大、最小索力如圖4所示。

圖4 斜拉索索力包絡(luò)圖

3.2 鋼錨梁計(jì)算模型

3.2.1 結(jié)構(gòu)離散圖

為更精細(xì)地分析錨鋼梁的受力性能，需對(duì)鋼錨梁進(jìn)行精細(xì)有限元分析。因NGML17鋼錨梁對(duì)應(yīng)的NB17、NZ17斜拉索成橋恒載索力最大，基于大型有限元分析軟件Ansys14.5建立NGML17鋼錨梁的板殼有限元計(jì)算模型。所有板件均采用Shell63殼單元模擬，混凝土采用Solid45實(shí)體單元模擬。鋼錨梁節(jié)段有限元模型共約34萬個(gè)節(jié)點(diǎn)、26萬個(gè)單元。坐標(biāo)系統(tǒng)：X軸為橫橋向(向外為正)，Y軸為豎向(向上為正)，Z軸為順橋向(向邊跨側(cè)為正)。

3.2.2 邊界條件

計(jì)算中將索塔錨固區(qū)節(jié)段頂部設(shè)為自由端，滿足實(shí)際索塔受力情況，節(jié)段底部完全約束。假定牛腿壁板與索塔混凝土之間緊密連接，采用共節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬。在恒載索力作用下，鋼錨梁與牛腿之間約束條件采用一端固定另一端滑動(dòng)(邊跨側(cè)可滑動(dòng))；成橋后，鋼錨梁與牛腿之間約束條件采用兩端固定。

鋼錨梁與牛腿間的順橋向滑動(dòng)約束：在鋼錨梁底板與牛腿頂板間，建立橫橋向和豎向的平移自由度約束。固定約束：在鋼錨梁底板與牛腿頂板間，建立平移和旋轉(zhuǎn)6個(gè)自由度約束。

3.3 荷載工況

組合工況1：恒載索力；組合工況2：1.0P，P為設(shè)計(jì)最大索力值(標(biāo)準(zhǔn)組合)；組合工況3：NB17斜拉索最大設(shè)計(jì)索力+ NZ17斜拉索恒載索力；組合工況4：NB17斜拉索恒載索力+ NZ17斜拉索最大設(shè)計(jì)索力；組合工況5：1.5P(超載工況)。

以上組合中索力值均取自南洞庭勝天大橋Midas整體計(jì)算，最大設(shè)計(jì)索力均指標(biāo)準(zhǔn)組合下斜拉索的最大設(shè)計(jì)索力。

組合工況1作用下，鋼錨梁與牛腿之間的約束條件為一端固定另一端滑動(dòng)。工況2～5：恒載作用下，鋼錨梁與牛腿間的約束條件為一端固定另一端滑動(dòng)；其余荷載作用下，為兩端固定。

3.4 鋼錨梁分析結(jié)果

工況1恒載作用下，鋼錨梁Mises等效應(yīng)力分布云圖見圖5，拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)，下同。

由圖5可知：工況1(即恒載)作用下，鋼錨梁Mises應(yīng)力水平整體較低，絕大部分區(qū)域Mises等效應(yīng)力小于47.1 MPa。鋼錨梁承壓板、腹板與底板相交處(塔臂端)有應(yīng)力集中現(xiàn)象，Mises應(yīng)力最大值達(dá)141.0 MPa，但應(yīng)力集中區(qū)域很小。

圖5 鋼錨梁Mises應(yīng)力云圖(工況1)(單位：Pa)

鋼錨梁順橋向應(yīng)力云圖如圖6所示。

由圖6可知：工況1(即恒載)作用下，鋼錨梁順橋向應(yīng)力水平整體較低，絕大部分區(qū)域順橋向應(yīng)力小于37.5 MPa。由于恒載作用時(shí)，鋼錨梁與牛腿之間約束條件為一端固定另一端順橋向滑動(dòng)，故鋼錨梁兩端斜拉索順橋向水平分力絕大部分由鋼錨梁自身平衡，此時(shí)鋼錨梁起到拉桿的作用。因此，從應(yīng)力云圖可以看出，鋼錨梁腹板與頂板中間段的順橋向應(yīng)力分布均勻，且基本小于30 MPa，鋼錨梁的拉桿效應(yīng)較顯著。

圖6 鋼錨梁順橋向應(yīng)力云圖(工況1)(單位：Pa)

工況1作用下，橫橋向和豎向應(yīng)力水平整體均較低，絕大部分區(qū)域應(yīng)力(絕對(duì)值)分別小于10.0 MPa和20.0 MPa。承壓板開孔處等小區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，但橫橋向和豎向應(yīng)力(絕對(duì)值)均小于73.7 MPa和135.0 MPa。

工況2～5作用下，由于約束條件相同，荷載設(shè)計(jì)值相當(dāng)，文中僅列出工況4計(jì)算結(jié)果。鋼錨梁Mises等效應(yīng)力見圖7、8。

圖7 鋼錨梁Mises應(yīng)力云圖(工況4)(單位：Pa)

圖8 鋼錨梁順橋向應(yīng)力云圖(工況4)(單位：Pa)

由圖7可知：工況4作用下，鋼錨梁Mises應(yīng)力水平整體較低，絕大部分區(qū)域Mises等效應(yīng)力小于70.6 MPa。鋼錨梁承壓板、腹板與底板相交處(塔臂端)有應(yīng)力集中現(xiàn)象，Mises應(yīng)力最大值達(dá)212.0 MPa，但應(yīng)力集中區(qū)域很小。

由圖8可知：工況4作用下，鋼錨梁順橋向應(yīng)力水平整體較低，絕大部分區(qū)域順橋向應(yīng)力小于49.3 MPa，鋼錨梁牛腿頂板與塔臂相連處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大值達(dá)167.0 MPa，但應(yīng)力集中區(qū)域較小，邊、中跨側(cè)鋼牛腿頂板順橋向應(yīng)力大于108.0 MPa的區(qū)域約為0.01 m×0.8 m。

工況4作用下，橫橋向和豎向的應(yīng)力水平整體均較低，絕大部分區(qū)域應(yīng)力(絕對(duì)值)分別小于27.4 MPa和50.6 MPa。承壓板開孔處等小區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，但橫橋向和豎向應(yīng)力(絕對(duì)值)均小于97.0 MPa和202 MPa。

工況1～5的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 鋼錨梁應(yīng)力及變形結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明：

(1) 大橋采用鋼錨梁構(gòu)造合理，整體受力性能良好，傳力路徑明確。

(2) 在各正載工況(工況1～4)作用下，鋼錨梁的Mises等效應(yīng)力整體均較小。恒載作用下(工況1)，鋼錨梁絕大部分區(qū)域Mises等效應(yīng)力均小于47.1 MPa；最不利標(biāo)準(zhǔn)組合作用下(工況2～4)，鋼錨梁絕大部分區(qū)域Mises等效應(yīng)力小于70.6 MPa；超載工況(工況5)，鋼錨梁絕大部分區(qū)域Mises等效應(yīng)力小于102 MPa。

(3) 恒載作用下(工況1)，鋼錨梁Mises等效應(yīng)力最大值為141 MPa；最不利標(biāo)準(zhǔn)組合作用下(工況2～4)，鋼錨梁Mises等效應(yīng)力最大值為212 MPa；超載工況(工況5)，鋼錨梁Mises等效應(yīng)力最大值為307 MPa。在最不利標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，鋼錨梁均處于彈性工作狀態(tài)，鋼錨梁Mises等效應(yīng)力最大值為212 MPa，發(fā)生在鋼錨梁腹板上，小于鋼材的容許值265 MPa。超載工況(工況5)作用下，鋼錨梁最大Mises等效應(yīng)力為307 MPa，大于鋼材相應(yīng)的容許值，但小于Q345D鋼材的屈服強(qiáng)度345 MPa。

(4) 在各最不利工況作用下，鋼錨梁的位移均很小，工況1～5空間位移的最大值分別為0.78、1.10、1.21、1.02和1.65 mm，鋼錨梁的最大位移均出現(xiàn)在鋼錨梁承壓板上。

4 鋼錨梁制造及安裝

根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果并結(jié)合施工實(shí)際，擬定鋼錨梁的具體制造及安裝步驟如下：

(1) 鋼錨梁、鋼錨梁牛腿在工廠各自組焊成形并進(jìn)行試拼裝，安裝工裝用臨時(shí)加固匹配構(gòu)件。檢驗(yàn)整體幾何尺寸、塔臂板面平整度、對(duì)接偏差和栓孔重合率等，檢驗(yàn)合格后完成各部位防腐涂裝。

(2) 鋼錨梁與牛腿的接觸面為四氟板滑動(dòng)摩擦副，消除摩阻力對(duì)索塔的影響，確保斜拉索恒載平衡水平分力轉(zhuǎn)化為鋼錨梁內(nèi)力。為減小鋼錨梁摩擦副的摩阻力，安裝前在四氟板面涂抹硅脂。

(3) 鋼錨梁、牛腿在工廠中采用高強(qiáng)螺栓臨時(shí)連接進(jìn)行整體組裝，并確保高強(qiáng)螺栓螺母端朝下方(最終在索塔上的狀態(tài))，工廠組裝時(shí)可采用臨時(shí)加固匹配構(gòu)件，形成整體結(jié)構(gòu)后出廠。

(4) 鋼錨梁、牛腿整體吊裝完成后，按施工進(jìn)度澆筑相應(yīng)節(jié)段塔柱混凝土，在張拉對(duì)應(yīng)斜拉索前，釋放邊跨側(cè)高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力為0(注意確保螺母及墊圈不脫落)，拆除工裝用臨時(shí)加固匹配構(gòu)件。

(5) 為避免斜拉索不平衡水平分力較大對(duì)索塔的不利影響，要求邊跨側(cè)與跨中側(cè)斜拉索對(duì)稱同步張拉，斜拉索不平衡水平分力不大于200 kN。為防止施工過程中兩側(cè)拉索安裝不同步導(dǎo)致鋼錨梁沖擊塔臂，應(yīng)采取相應(yīng)的臨時(shí)防護(hù)措施(如在鋼錨梁與塔臂間設(shè)置臨時(shí)擋塊等)。

(6) 橋面鋪裝荷載就位后，擰緊鋼錨梁與鋼牛腿間的連接螺栓(擰緊到規(guī)范規(guī)定的預(yù)緊力)，再將鋼錨梁墊板與鋼牛腿頂板焊接形成固結(jié)連接(焊縫均為三邊圍焊，靠近塔臂不能焊接的一邊涂膩?zhàn)用芊猓苑乐褂晁秩?。鋼錨梁與鋼牛腿間的連接采用先栓后焊的制造及安裝工序，應(yīng)在焊接24 h后對(duì)高強(qiáng)螺栓進(jìn)行補(bǔ)擰。

5 結(jié)論

以南洞庭勝天大橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用整體桿系有限元計(jì)算和局部精細(xì)化的實(shí)體板殼有限元計(jì)算相結(jié)合的方法，研究了大跨度斜拉橋塔上鋼錨梁的傳力機(jī)理和受力特性，得到以下結(jié)論：

(1) 大橋采用的鋼錨梁構(gòu)造合理，整體受力性能良好，傳力路徑明確。

(2) 通過模擬鋼錨梁邊界條件的變化，優(yōu)化了鋼錨梁制造及安裝工序。

(3) 恒載、標(biāo)準(zhǔn)組合、超載工況下鋼錨梁Mises等效應(yīng)力絕大部分區(qū)域分別小于等于47.1、70.6、102 MPa，Mises等效應(yīng)力最大值分別為141、212、307 MPa，超載工況下，鋼錨梁最大Mises等效應(yīng)力大于鋼材應(yīng)力容許值，但小于鋼材屈服強(qiáng)度，鋼錨梁能滿足橋梁的正常使用和極限狀態(tài)下的受力要求。

(4) 建議鋼錨梁制造與安裝單位嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，采用合理的先進(jìn)的焊接、切割、打磨等工藝，特別是應(yīng)力集中部位更應(yīng)保證質(zhì)量，從而確保鋼錨梁結(jié)構(gòu)受力安全可靠。

塔上鋼錨梁成功應(yīng)用于南洞庭勝天大橋，大橋于2019年10月建成通車，鋼錨梁運(yùn)營狀態(tài)良好。