■張 帆，熊健民，周金枝 ■.湖北大學(xué)，湖北 武漢 430068;.湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430068

1 概述

廈漳跨海大橋北汊為主跨780m 的五跨連續(xù)半漂浮體系雙塔雙索面斜拉橋，跨度布置為(95 +230 +780 +230 +95)m，南汊主橋?yàn)殡p塔雙索面半漂浮體系組合梁斜拉橋，跨度布置為(135 +300 +135)m;該橋起于廈門馬青路院前處，止于漳州龍海市后宅處。大橋工程主要包括北汊北引橋、北汊主橋、北汊南引橋、海門島立交及收費(fèi)服務(wù)區(qū)、南汊橋、海平互通立交組成。

南、北汊主橋索梁錨固形式均采用錨拉板式錨固結(jié)構(gòu)，這種索梁錨固方式傳力路徑明確，構(gòu)造簡單，施工、檢查和維修方便［1］，但局部應(yīng)力明顯集中，一些關(guān)鍵構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞可靠性不明確。為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正確性與制作工藝的合理性，確保結(jié)構(gòu)的安全可靠，對南汊主橋索梁錨固結(jié)構(gòu)進(jìn)行1:1 足尺模型試驗(yàn)。

通過對南汊主橋的整橋有限元計(jì)算，南汊主橋受力最大的錨拉板為Z12，綜合考慮錨固結(jié)構(gòu)的承載能力與疲勞性能，選擇參照南汊主橋Z12 錨拉板制作本試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。該試?yàn)?zāi)Ｐ褪?:1 足尺模型，高為6.1m，寬為2.39m。試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鲝S家與實(shí)橋生產(chǎn)廠家是同一個(gè)廠家，保證了模型的整個(gè)制作和焊接工藝要求與實(shí)橋完全一致，材料也與實(shí)橋相同，為Q235 鋼。

廈漳跨海大橋斜拉索與主梁之間采用錨拉板式的錨固方式，如圖1所示，斜拉索在索塔上錨固采用鋼錨梁結(jié)構(gòu)形式。

圖1 錨拉板式的錨固方式

2 有限元分析

2.1 材料參數(shù)

從錨固區(qū)的線彈性有限元分析結(jié)果可知，在成橋索力作用下，錨固結(jié)構(gòu)錨拉板、錨管Von -Mises 應(yīng)力值最大，某些區(qū)域的Von -Mises 應(yīng)力值將達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度，為了進(jìn)一步研究錨固結(jié)構(gòu)的極限承載力，需對索梁錨固結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈塑性分析［2］。計(jì)算中忽略結(jié)構(gòu)初始缺陷，不考慮由于板件焊接引起的收縮變形。單元選用四節(jié)點(diǎn)三維殼單元SHELL181，鋼材采用雙線性等向強(qiáng)化材料模式，彈性模量E=2.1 ×105MPa，泊松比μ=0.3，初始屈服應(yīng)力σy=360 MPa;考慮1%強(qiáng)化，切線模量Et=2.1 ×103MPa，采用Von-Mises 屈服準(zhǔn)則。材料本構(gòu)關(guān)系如圖2。

2.2 錨固結(jié)構(gòu)承載能力分析

圖2 材料本構(gòu)關(guān)系曲線

根據(jù)計(jì)算資料，Z12 斜拉索設(shè)計(jì)索力為5547.1kN，分別計(jì)算1.1倍、1.6 倍、2.1 倍、2.6 倍及3.1 倍最大索力下Von-Mises 應(yīng)力值及塑性區(qū)間的發(fā)展趨勢。Z12 錨固結(jié)構(gòu)錨拉板與錨管在各級荷載作用下的最大Von-Mises 應(yīng)力值如表1、表2。錨拉板與錨管的塑性區(qū)間發(fā)展趨勢如圖4、圖5。

表1 各級荷載作用下錨拉板最大Von-Mises 應(yīng)力值

圖3 可以看出:隨著荷載的增加，錨拉板的圓倒角在處塑性區(qū)間不斷增大，當(dāng)荷載增在最大索力的3.1 倍時(shí)，錨拉板與錨管連接處的圓倒角處已全部屈服。

圖4 說明了:隨著荷載的增加，在與錨拉板連接處的錨管處塑性區(qū)間不斷增大，當(dāng)荷載增在最大索力的3.1 倍時(shí)，錨管全截面屈服。

2.3 錨固結(jié)構(gòu)整體剛度分析

錨固結(jié)構(gòu)在各級荷載作用下的最大位移如表3，將表3 的數(shù)據(jù)繪制成圖5。

圖3 錨拉板塑性區(qū)發(fā)展趨勢

圖4 錨管塑性區(qū)發(fā)展趨勢

表3 各級荷載作用下錨固結(jié)構(gòu)的最大位移值

圖5 各級荷載作用下錨固結(jié)構(gòu)的最大位移值

隨得荷載的增大，錨固結(jié)構(gòu)的最大位移逐漸增大，在破壞荷載之前，錨固結(jié)構(gòu)的最大位移與荷載幾乎成線性關(guān)系，在3.1 倍索力作用下，錨固結(jié)構(gòu)的橫橋向與豎橋向的最大位移增長迅速，分別達(dá)14.92mm、5.61mm。

2.4 錨固結(jié)構(gòu)局部穩(wěn)定分析

根據(jù)計(jì)算參數(shù)，可得到錨管外徑與壁厚之比:

錨管外徑/壁厚之比=426/38=11.2 ＜100(235/fy)

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)計(jì)設(shè)規(guī)范》(GB 50017 -2003)規(guī)定“圓管截面的受壓構(gòu)件，其外徑與壁厚之比不應(yīng)超過100(235/fy)”［3］。可見錨管結(jié)構(gòu)局部穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)方法

由于承載能力試驗(yàn)最大加載索力為Z12 拉索的最大索力的1.7 倍(10703kN)，該荷載值已經(jīng)遠(yuǎn)大于MTS6000 試驗(yàn)機(jī)的最大加載能力，因此，必需制作專門反力架進(jìn)行加載，試驗(yàn)采用2 個(gè)1300T 千斤頂利用自平衡方式進(jìn)行，加載方式見圖6。

圖6 承載能力試驗(yàn)加載圖

為防止意外事故發(fā)生，試驗(yàn)采取分級加載，逐級增加，分級數(shù)為7級，達(dá)到最大荷載后一次卸載的加載方式，具體分級如下:0kN →2518kN→5037kN→6296kN→8814kN→10074kN→10703kN→0kN。每級荷載持荷1 分鐘后，進(jìn)行應(yīng)變測試讀數(shù)，讀數(shù)完成后，進(jìn)行下一級加載。卸載到0kN 后，等待5 分鐘后再讀數(shù)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)對錨固結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件在1 倍索力作用下各測點(diǎn)的Von -Mises 應(yīng)力實(shí)測值的測算，1 倍設(shè)計(jì)索力作用下，錨拉板開口兩側(cè)受力基本對稱，錨固結(jié)構(gòu)的最大的Von -Mises 應(yīng)力值為336.8MPa，出現(xiàn)在錨拉板與錨管連接圓弧處，其他區(qū)域絕大部分測點(diǎn)Von -Mises 應(yīng)力值在80MPa 以內(nèi)。

對錨固結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件在1.7 倍設(shè)計(jì)索力作用下各測點(diǎn)的Von-Mises 應(yīng)力實(shí)測值的測算?？梢钥闯?，1.7 倍設(shè)計(jì)索力作用下，錨拉板開口兩側(cè)受力基本對稱，錨固結(jié)構(gòu)的最大的Von -Mises 應(yīng)力值為361.6MPa，出現(xiàn)在錨拉板與錨管連接圓弧處，已超過其屈服應(yīng)力360MPa，其他區(qū)域絕大部分測點(diǎn)Von-Mises 應(yīng)力值在100MPa 以內(nèi)。

圖7 為錨拉板與錨管連接圓弧附近測點(diǎn)在各級荷載作用下的Von-Mises 應(yīng)力。從圖7 可以看出，0.8 倍設(shè)計(jì)索力前，Von-Mises 應(yīng)力與荷載呈線性關(guān)系;當(dāng)荷載加載到設(shè)計(jì)索力的1.4 時(shí)，圓弧處的8 號測點(diǎn)與16 測點(diǎn)Von-Mises 應(yīng)力值分別達(dá)到360.5MPa、360.1MPa，已達(dá)到材料的屈服應(yīng)力。

圖7 錨拉板部分測點(diǎn)在各級荷載作用下的Von-Mises 應(yīng)力實(shí)測值

4 結(jié)論

(1)錨固結(jié)構(gòu)的最大位移隨得荷載的增加而增大，在破壞之前，錨固結(jié)構(gòu)的最大位移與荷載幾乎成線性關(guān)系，在3.1 倍索力作用下，錨固結(jié)構(gòu)的橫橋向與豎橋向的最大位移增長迅速，分別達(dá)14.92mm、5.61mm;

(2)錨固結(jié)構(gòu)在1.6 倍索力作用下，局部區(qū)域開始屈服，最大的Von-Mises 應(yīng)力值為361.2MPa，出現(xiàn)于錨管與錨拉板連接圓弧附近［4］;隨著荷載的增大，錨拉板的塑性區(qū)間沿焊縫不斷增高，當(dāng)荷載增大加2.1 倍索力時(shí)，錨拉板與錨管連接圓弧處屈服面積達(dá)6000mm2，錨管屈服面積達(dá)整個(gè)截面的1/4;當(dāng)荷載達(dá)3.1 倍索力時(shí)，錨管全截面屈服。

承載能力試驗(yàn)結(jié)論:(1)各級荷載作用下，錨拉板開口左右兩側(cè)受力基本對稱，整體應(yīng)力水平不高;(2)錨固結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨荷載的增加而增大，當(dāng)荷載加載到索力的1.4 時(shí)，錨拉板圓弧處的8 號測點(diǎn)與16 測點(diǎn)Von -Mises 應(yīng)力值分別達(dá)到360.5MPa、360.1MPa，已達(dá)到材料的屈服應(yīng)力;1.7 倍索力作用下，除錨拉板與錨管連接圓弧處測點(diǎn)的Von-Mises 應(yīng)力值為361.6MPa，其他區(qū)域測點(diǎn)Von-Mises 應(yīng)力值均在100MPa 以內(nèi);(3)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)后進(jìn)行檢查表明，沒有任何裂紋出現(xiàn)，錨固構(gòu)造十字接頭處抗層狀撕裂能力滿足要求。

綜上所述，南汊主橋錨固結(jié)構(gòu)具有足夠的承載能力，能夠保證運(yùn)營的安全性。

［1］嚴(yán)國敏.現(xiàn)代斜拉橋.成都:西南交通大學(xué)出版社，1996.

［2］林元培.斜拉橋.北京:人民交通出版社，1998.

［3］李富文等.鋼橋.北京:中國鐵道出版社，1992.

［4］李本偉.斜拉橋索梁錨固區(qū)模型試驗(yàn)與計(jì)算分析.西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文，1996，5.