劉麗琦

（中國電建集團(tuán)城市規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

隨著城市化發(fā)展，單一的混凝土梁橋已經(jīng)不能滿足審美的需求，采用鋼箱梁的斜拉橋、懸索橋、拱橋等也因?yàn)槠湄S富的造型出現(xiàn)在了城市里，雖然其跨徑往往只在80~200m的區(qū)段。梁橋作為主要受力構(gòu)件，承擔(dān)結(jié)構(gòu)的大部分荷載，剩下的荷載可以由拉索承擔(dān)，所以對于中小跨徑的橋梁，索輔梁橋是一個很好的綜合了受力、經(jīng)濟(jì)與景觀的選擇。伴隨著拉索體系出現(xiàn)的常態(tài)化，拉索和主梁的錨固也從大橋運(yùn)用到了中小橋梁上。本文的橋梁采用索輔式懸索梁橋體系，主纜通過錨箱錨固于端橫梁上，錨箱與主梁之間的受力比較復(fù)雜，為了分析錨箱的傳力途徑與受力，保證錨箱與結(jié)構(gòu)的安全，往往需要對錨箱局部采取有限元分析。本文中的錨箱錨固于頂板之上，而且板件處于單邊焊接狀態(tài)，主受力方向的長度與板厚之比最小的可達(dá)9:1，因此筆者對錨箱建立了實(shí)體單元模型，以期更好地對錨箱的應(yīng)力分布做出分析。

1 拉索錨固的主要形式

拉索的錨固系統(tǒng)保證了纜索和主梁之間的力的傳遞，常見的錨固方式詳見圖1，從左到右依次為錨箱式連接、錨管式連接、耳板式連接和拉板式連接。錨箱連接主要是指人為通過鋼板焊接一個錨固塊，將錨固塊焊接于主梁腹板之上，鋼錨箱的傳力途徑主要是拉索的索力通過墊板作用于底板上，傳遞給錨固板，通過錨固板、加勁肋、底板的共同作用傳遞給主梁。采用錨管連接主要是在主梁結(jié)構(gòu)上安裝一根鋼管，拉索力直接作用于主梁上，無偏心彎矩會產(chǎn)生。耳板式連接則是將耳板或焊接或栓接在主梁上，拉索通過連接器與耳板相連，耳板式連接可傳遞的索力較小，適用于索力不大的結(jié)構(gòu)中。錨拉板連接是將剛把作為錨拉板直接焊在主梁上方，并且將錨管焊接與錨拉板槽口內(nèi)[1]。

圖1 拉索典型錨固形式[1]

2 工程概況

文中項(xiàng)目位于中山，采用墩梁固結(jié)的單索面索輔梁體系；主塔采用Q345q鋼箱結(jié)構(gòu)，寬2.0m，高1.4~2.6m；加勁梁采用Q345q鋼箱結(jié)構(gòu)，總體為（38+24+38）m連續(xù)剛構(gòu)，寬32.2m，高2.0m；主纜采用PES7-139熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索（1670MPa）；吊桿采用PES7-109型吊桿（1670MPa），吊桿間距4m，全橋設(shè)置12根吊桿。主纜通過鋼錨箱錨于梁端，圓形墩塔底部與承臺固結(jié)，承臺下設(shè)置鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。該橋總體布置參見圖2，斷面形式參見圖3。

圖2 總體布置

圖3 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

3 技術(shù)指標(biāo)

該橋采用城-A級汽車荷載，綜合考慮人群荷載、溫度效應(yīng)、地震與沉降等工況后，主纜基本組合狀態(tài)下拉力設(shè)計值為1935kN。

根據(jù)設(shè)計，主纜采用錨箱形式錨固于橋面板上，大樣圖參見圖4。錨箱錨固板厚度為40mm，頂板厚度為24mm，承壓板厚度為40mm，錨墊板厚度為40mm，加勁板厚度為24mm，錨箱和主梁之間的夾角為8°。

圖4 錨箱大樣

4 結(jié)構(gòu)計算

4.1 總體模型

錨箱局部受力復(fù)雜，用MidasFEA做了實(shí)體單元的局部分析，模型參見圖5。錨箱底板單元尺寸采用了10~20mm，承壓板和加勁肋單元尺寸為20~50mm，單元厚度統(tǒng)一采用10mm，模型底部和端橫梁固結(jié)，所以局部模型底部采取固結(jié)支座，從整體模型提取最大拉索力1935kN，設(shè)計值為基本組合的包絡(luò)值?？紤]1.1的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，板的設(shè)計強(qiáng)度為270/1.1=245MPa（16mm以上板厚）。

圖5 有限元模型

4.2 錨固界面反力驗(yàn)算

根據(jù)反力分析可知，反力圖示見圖6，從左到右依次為順橋向反力，橫橋向反力，豎向反力，計算可得橫向支座反力為3.2kN/20mm=160kN/m，6.7kN/20mm=335kN/m，豎向拉力反力為11kN/20mm=550kN/m。錨箱與鋼梁之間采用全融透焊，焊縫設(shè)計值均小于承載力，焊縫安全可靠。

圖6 錨箱反力

4.3 應(yīng)力分布

應(yīng)力分析結(jié)果詳見圖7~圖10，為了仔細(xì)分析應(yīng)力的分布，結(jié)果分別展示了<100MPa，100MPa～200MPa，200MPa～250MPa，245MPa～486MPa的應(yīng)力分布，從Von-Mises應(yīng)力分析云圖可以看出以下幾點(diǎn)。

圖7 整體應(yīng)力分布

圖10 <100MPa板塊應(yīng)力分布

圖8 245~486MPa板塊

圖9 100～250MPa板塊應(yīng)力分布

（1）整體有效應(yīng)力有12%大于270MPa，最大應(yīng)力為486MPa，均出現(xiàn)在錨頭施加壓力處，同時也是底板開洞的外表面處，所以此處發(fā)生了應(yīng)力集中，應(yīng)力處于245~486MPa區(qū)段，從應(yīng)力分布看，底板應(yīng)該發(fā)生較大彎曲變形，建議此處優(yōu)化剪力板位置，盡可能在孔洞邊緣布設(shè)。同時可適當(dāng)加大錨墊板的外尺寸和錨墊板厚度，更好的保證索力的分散。

（2）除承壓板以外的構(gòu)件應(yīng)力均處于250MPa以內(nèi)，其中，錨箱錨固板和底板內(nèi)邊緣50mm范圍以內(nèi)的有效應(yīng)力處于200~250MPa區(qū)間，關(guān)鍵焊縫連接處也處于應(yīng)力集中現(xiàn)象發(fā)生區(qū)段。100mm范圍內(nèi)處于100~200MPa區(qū)間。

(3）錨箱剩余部件應(yīng)力均小于100MPa，整體結(jié)構(gòu)安全可靠。

5 結(jié)論

（1）錨箱底板與錨固板和加勁肋之間的焊縫處于應(yīng)力集中區(qū)，采用熔透焊縫連接的時候應(yīng)注意焊縫質(zhì)量，保證力的有效傳遞。

（2）錨箱底板受力復(fù)雜，根據(jù)結(jié)果顯示，底板存在一定的彎曲變形，沿板厚方向各層存在互相擠壓現(xiàn)象。承壓板應(yīng)盡量貼近錨管孔布置，且在底板之下應(yīng)設(shè)置墊板，保證拉索力在底板上分散傳播。并應(yīng)于頂板下方錨固板對應(yīng)位置設(shè)置加勁板以共同承擔(dān)偏心引起的彎矩。

（3）錨固板和加勁板的應(yīng)力在靠近底板的區(qū)域大，遠(yuǎn)離底板的方向逐漸減小，設(shè)計時要注意板的有效長度保證力的傳遞。

（4）錨箱體系傳力明確，安全可靠，本文雖為分析主梁的應(yīng)力，但從反力結(jié)果可看出錨箱作用于主梁的力并不十分顯著，所以對于索輔梁橋中相對較小的拉索體系，該錨固形式可以安全應(yīng)用在工程設(shè)計中。