杜鑫， 李杰*， 楊紀(jì)， 懷臣子， 馮冠杰， 張波

(1.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 鄭州 450001； 2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司)

吊桿錨固區(qū)是獨(dú)塔自錨式懸索橋中極其復(fù)雜和重要的部位，關(guān)系到整個(gè)橋梁的安全性，是懸索橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。其作用是將主梁的荷載可靠地傳遞給吊桿。盧穎等介紹了斜拉橋常見的索梁錨固形式(錨拉板式結(jié)構(gòu)、耳板式結(jié)構(gòu)、錨管式結(jié)構(gòu)和錨箱式結(jié)構(gòu)等)并分析了錨拉板式錨固結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力，明確結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力發(fā)生在鋼箱梁腹板與鋼錨箱承壓板相交處；高何杰等針對(duì)斜拉橋結(jié)構(gòu)中索-梁錨固結(jié)構(gòu)進(jìn)行足尺疲勞模型試驗(yàn)，研究了其傳力機(jī)理；莫山峰等研究了大跨度鋼拱橋索錨管式錨固區(qū)的受力特點(diǎn)和應(yīng)力集中現(xiàn)象；歐陽青等指明了獨(dú)塔斜拉-自錨式懸索組合橋吊桿錨固區(qū)傳力途徑，并依據(jù)錨固區(qū)各構(gòu)件應(yīng)力和變形情況對(duì)錨固區(qū)構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化，提出對(duì)橫隔板增加橫向與縱向肋條的方案，效果顯著；葉錫鈞等通過對(duì)錨箱式索梁錨固區(qū)的局部應(yīng)力分析，得出在錨箱下部區(qū)域的應(yīng)力最大且存在面外位移，從此位置向四周應(yīng)力逐漸減小，此處應(yīng)力為控制應(yīng)力；王少懷等對(duì)斜拉橋耳板式索梁錨固區(qū)進(jìn)行了應(yīng)力分析；胡正榮等通過建立空間實(shí)體單元有限元模型,對(duì)雙塔拱式斜拉橋索塔錨固區(qū)鋼錨箱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行仿真分析；陸新征、周萌、劉俊卿、聶建國等提出了多尺度模型高效計(jì)算方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析?？梢钥闯觯旱鯒U錨固區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)、變形情況復(fù)雜，并常伴隨應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此應(yīng)對(duì)其進(jìn)行局部受力分析，以便進(jìn)行局部設(shè)計(jì)優(yōu)化，確保錨固區(qū)結(jié)構(gòu)安全、受力合理。

1 工程概況

某大橋跨徑布置為(50+40+190+110+40) m，其中主跨(190+110) m為獨(dú)塔鋼箱梁自錨式懸索體系，次邊跨和邊跨與主跨設(shè)計(jì)為連續(xù)體系，橋型布置如圖1所示。吊桿主梁錨固區(qū)構(gòu)造如圖2所示，其結(jié)構(gòu)包括錨管、錨墊板、加勁板、托架和橫梁腹板等。吊桿主梁錨固區(qū)構(gòu)造形式是錨管(N55)焊接在托架腹板N14和N14a之間，錨墊板(N56)垂直焊接在錨管上并在錨管和托架頂(底)板焊接處做加勁處理安裝加勁板，再將整個(gè)錨管結(jié)構(gòu)連接在縱梁腹板上。吊桿索力通過鋼錨箱的錨墊板以四邊支撐形式將壓應(yīng)力分散傳遞到托架底板上，并通過錨管作為剪應(yīng)力傳遞給托架腹板，最后通過外腹板(N3)和橫梁腹板(N12、N13)將吊桿索力傳遞到整個(gè)箱梁，錨墊板及腹板均設(shè)置加勁板，以利于錨固處的應(yīng)力擴(kuò)散避免受力集中。

圖1 橋型布置(單位：cm)

圖2 吊桿主梁錨固區(qū)構(gòu)造

2 吊桿鋼箱錨固區(qū)計(jì)算模型

主梁鋼箱梁采用Q345qD材料：取彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比為0.3，質(zhì)量密度為7.85 g/cm3；采用Von-Mises應(yīng)力衡量拉索鋼箱梁錨固區(qū)應(yīng)力狀態(tài)。依照GB/T 714-2015《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》，板厚不大于50 mm時(shí)，Q345qD鋼材屈服強(qiáng)度為345 MPa。

采用通用有限元分析軟件，考慮到計(jì)算精度及模型規(guī)模，利用結(jié)構(gòu)對(duì)稱承受對(duì)稱荷載的受力特點(diǎn)，建立吊桿主梁錨固區(qū)局部應(yīng)力分析模型。模型取一半箱梁施加邊界條件，吊桿荷載依照設(shè)計(jì)給出的吊桿最大索力加載，加載位置在錨管的下錨墊板，加載方式采用節(jié)點(diǎn)集中力荷載，節(jié)點(diǎn)力施加在錨墊板的圓周節(jié)點(diǎn)上，方向?yàn)殄^管軸向。模型沿橋梁縱向取10.5 m長度，以錨管位置為中心向兩側(cè)各取5.25 m，為減小位移邊界條件和荷載邊界條件的影響，假定邊界箱梁截面的約束條件完全固結(jié)施加約束自由度。板單元結(jié)構(gòu)采用Shell181單元進(jìn)行離散，單元厚度根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的結(jié)構(gòu)鋼板厚度設(shè)置[鋼錨箱主要承壓構(gòu)件錨墊板(N56)采用32 mm厚鋼板，錨管(N55)采用20 mm厚鋼管，錨固端加勁肋(N57、N58、N60)均采用12 mm厚鋼板，加勁肋(N59)采用10 mm厚鋼板，除托架腹板(N14a)加厚處理采用32 mm厚鋼板其余托架腹板、底板均采用12 mm厚鋼板]，離散后結(jié)構(gòu)單元數(shù)量共97 389個(gè)，各板件間的連接均采用共節(jié)點(diǎn)連接。

3 吊桿鋼箱錨固區(qū)局部應(yīng)力分析

3.1 鋼箱整體及錨管應(yīng)力分析

圖3、4為鋼箱梁、錨管N55的Von Mises應(yīng)力。

圖3 鋼箱梁Von Mises應(yīng)力(單位：MPa)

圖4 錨管N55的Von Mises應(yīng)力(單位：MPa)

由圖3可知：結(jié)構(gòu)在最大吊桿力作用下，Von Mises應(yīng)力為0～151.32 MPa，遠(yuǎn)離錨管的鋼箱梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力很小，大小為0～16.8 MPa，且主要是對(duì)箱梁外腹板的影響，其他結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力基本無影響(接近于零)，可見吊桿力作用下的應(yīng)力影響范圍有限，僅限于錨固區(qū)局部范圍，計(jì)算選取的結(jié)構(gòu)范圍是合理的，可以反映吊桿力作用下的局部受力問題。

由圖4可知：錨管受力分布并不均，在錨管上部約1/3的管段應(yīng)力很小，小于17.54 MPa，錨管中間約1/3管段應(yīng)力較小，其值為17.54～50.99 MPa，錨管只在下部1/4管段內(nèi)存在較大的應(yīng)力值，并存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為151.32 MPa?？梢姷鯒U錨固區(qū)整個(gè)錨管結(jié)構(gòu)均參與結(jié)構(gòu)受力，其下部1/4管段為主要承力部位，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)增加剛度，以保證錨管結(jié)構(gòu)受力安全且相對(duì)均勻。

3.2 加勁板應(yīng)力分析

加勁板N60的Von Mises應(yīng)力如圖5(a)所示，加勁板的應(yīng)力較小，最大應(yīng)力為64.13 MPa。加勁板N58的Von Mises應(yīng)力如圖5(b)所示，加勁板的應(yīng)力較大，其值為66.94～120.62 MPa，該加勁板存在受力集中點(diǎn)，最大應(yīng)力為120.62 MPa。加勁板N57的Von Mises應(yīng)力如圖5(c)所示，加勁板的應(yīng)力較大，其值為37.78～82.27 MPa，該加勁板存在受力集中點(diǎn)，最大應(yīng)力為82.27 MPa。加勁板N59的Von Mises應(yīng)力如圖5(d)所示，加勁板的應(yīng)力較小，其值為0～48.5 MPa，該加勁板存在受力集中點(diǎn)，最大應(yīng)力為48.50 MPa，應(yīng)力水平低，其中與托架腹板N14a連接的加勁板較其他N59加勁板受力大。錨固區(qū)底端加勁板N58、N57與加勁板N60的Von Mises應(yīng)力相比，加勁板N58、N57所受應(yīng)力明顯較大。錨固區(qū)頂端加勁板N59也有相似的受力分布，即與托架腹板N14、N14a相連接的加勁板受力更大，其所受應(yīng)力約為不與托架腹板相連的加勁板的2倍。對(duì)比加勁板N58與N57的Von Mises應(yīng)力可知，與托架腹板N14a相連加勁板(N58)所受應(yīng)力是與托架腹板N14相連加勁板(N57)的1.5倍。因此通過錨管傳遞來的吊桿力主要通過錨固區(qū)底端加勁板(N58、N57)傳遞給與主梁相連的托架腹板(N14a、N14)，靠近主梁側(cè)的托架腹板N14a是更主要的受力構(gòu)件。

圖5 加勁板Von Mises應(yīng)力(單位：MPa)

3.3 錨墊板與橫梁腹板應(yīng)力分析

錨墊板N56的Von Mises應(yīng)力如圖6所示，錨墊板的應(yīng)力較小，最大應(yīng)力為72.73 MPa。橫梁腹板N12、N13的Von Mises應(yīng)力如圖7所示，橫梁腹板應(yīng)力分布范圍較大，應(yīng)力分布不均勻，應(yīng)力范圍為0～106 MPa，應(yīng)力集中位置位于箱梁外腹板N3、托架腹板N14a、托架底板N16和橫梁腹板結(jié)合點(diǎn)，該點(diǎn)存在應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為106 MPa，應(yīng)力在局部擴(kuò)散后迅速減小，其他位置應(yīng)力很小，接近于0。

圖6 錨墊板N56的Von Mises應(yīng)力(單位：MPa)

圖7 橫梁腹板N12、N13的Von Mises應(yīng)力(單位：MPa)

3.4 托架板應(yīng)力分析

托架腹板N14a的Von Mises應(yīng)力較大，是錨管受力傳遞到托架及箱梁的重要傳力構(gòu)件，托架腹板的應(yīng)力范圍為38.64～133.4 MPa，該腹板處于應(yīng)力水平相對(duì)較高區(qū)域，最大應(yīng)力為133.4 MPa。托架腹板N14、N15的Von Mises應(yīng)力小，托架腹板的應(yīng)力范圍為0～46.7 MPa，該腹板應(yīng)力集中較小，應(yīng)力最大值位于腹板與錨管連接的位置，其他位置受到的應(yīng)力很小。托架底板N16的Von Mises應(yīng)力分布范圍較大，應(yīng)力極不均勻，應(yīng)力范圍為0～156.54 MPa，應(yīng)力集中位置位于箱梁外腹板N3、托架腹板N14a、托架底板N16和橫梁腹板的結(jié)合點(diǎn)，該點(diǎn)存在應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為156.54 MPa，應(yīng)力擴(kuò)散后迅速減小，其他位置應(yīng)力很小。托架底板N17的Von Mises應(yīng)力很小，范圍為0～13.76 MPa。托架豎肋N20的Von Mises應(yīng)力很小，范圍為0～0.67 MPa。

4 結(jié)論

(1) 吊桿力作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響范圍有限，應(yīng)力隨距錨固位置距離增加迅速擴(kuò)散減小；為保證結(jié)構(gòu)受力安全，應(yīng)關(guān)注局部結(jié)構(gòu)受力設(shè)計(jì)。

(2) 吊桿錨固結(jié)構(gòu)在吊桿力作用下的主要傳力構(gòu)件是：錨管下部1/4管段、加勁板N57、加勁板N58、托架腹板N14a、橫梁腹板。尤其是錨管受力極不均勻，錨管下部1/4管段所受最大應(yīng)力約為錨管上部1/3管段的8.6倍，為錨管中間1/3管段的3倍。針對(duì)錨管受力特性，可對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增加錨管下部1/4管段的局部厚度或者對(duì)其進(jìn)行局部內(nèi)、外加勁，減小錨管局部受力，增大結(jié)構(gòu)安全性。

(3) 吊桿錨固結(jié)構(gòu)在吊桿力作用下主要傳力途徑為：錨墊板→錨固結(jié)構(gòu)底端加勁板、錨管→托架底板、托架腹板N14a→外腹板N3→橫梁腹板→整個(gè)主梁。

(4) 結(jié)構(gòu)的最大Von Mises應(yīng)力為156.54MPa，遠(yuǎn)小于Q345qD屈服強(qiáng)度，局部應(yīng)力分布基本均勻，應(yīng)力水平安全。

(5) 結(jié)構(gòu)受力存在應(yīng)力集中位置，該位置位于托架腹板N14a、橫梁腹板、箱梁外腹板N3和托架底板的節(jié)點(diǎn)位置，應(yīng)力值相對(duì)較大，影響結(jié)構(gòu)的使用安全，應(yīng)對(duì)錨固構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化，改善結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布使構(gòu)件傳力更合理?？稍黾訖M梁腹板N12長度并增大其厚度，必要時(shí)應(yīng)減小外腹板N3加勁肋條間距。通過增大錨固區(qū)段橫隔板剛度或者外腹板剛度，降低鋼錨箱及鋼錨梁的應(yīng)力與變形，緩解鋼錨梁角點(diǎn)應(yīng)力集中。另外鋼錨箱為全焊結(jié)構(gòu)，多條焊縫為受力焊縫，應(yīng)嚴(yán)格保證焊接質(zhì)量。