祝 兵，張子怡，張 振，宋 凡，齊 樂(lè)

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031)

斜拉橋作為一種拉索體系，跨越能力更大，并且建筑高度小、施工方便安全、橋型美觀，因此成為近年來(lái)我國(guó)大跨度橋梁中應(yīng)用最普遍的一種橋型之一。對(duì)于斜拉橋來(lái)說(shuō)，其拉索的錨固結(jié)構(gòu)是保證橋梁安全的重要結(jié)構(gòu)，并且其設(shè)計(jì)必須達(dá)到傳力可靠、安全耐久、造型美觀、易于維護(hù)的基本要求[1-3]。目前工程中常見(jiàn)的錨固區(qū)結(jié)構(gòu)形式主要有鋼錨箱結(jié)構(gòu)和鋼錨梁結(jié)構(gòu)[4-6]。其中傳統(tǒng)的鋼錨梁結(jié)構(gòu)因造價(jià)低、施工簡(jiǎn)單便捷等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[7]。鋼錨梁的主要功能是將斜拉索局部的集中力安全、均勻地傳遞到塔柱。鋼牛腿是鋼錨梁的支撐結(jié)構(gòu)，是主要的豎向受力構(gòu)件。由于受到拉索較大的集中拉力作用，錨固結(jié)構(gòu)部位會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象[8-10]。

本文鋼錨梁結(jié)構(gòu)由頂板、單腹板和底板焊接而成，采用牛腿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鋼錨梁與混凝土的連接。本文的計(jì)算方法考慮了施工階段、牛腿頂板與錨梁底板之間的摩擦作用和預(yù)應(yīng)力作用對(duì)鋼錨梁結(jié)構(gòu)的影響。并通過(guò)采用有限元軟件對(duì)鋼錨梁在不同工況下的空間力學(xué)特性進(jìn)行計(jì)算分析，確保鋼錨梁各部分結(jié)構(gòu)受力安全，從而為后續(xù)施工設(shè)計(jì)和類似工程提供理論依據(jù)。

1 工程背景與有限元模擬

1.1 工程背景

該大跨度斜拉橋主橋孔跨布置為(72+212+560+212+72)m，為雙塔雙索面組合梁斜拉橋。主梁采用混凝土面板下設(shè)兩小縱梁的結(jié)構(gòu)形式，主塔采用菱形索塔，過(guò)渡墩、輔助墩采用空心薄壁墩，均采用群樁基礎(chǔ)。斜拉索采用高強(qiáng)度低松弛平行鍍鋅鋼絲索，全橋共176根，標(biāo)準(zhǔn)索距15 m。

1.2 有限元軟件及參數(shù)

采用三維空間分析軟件對(duì)塔頂鋼錨梁節(jié)段建立有限元模型，為簡(jiǎn)化計(jì)算，選取索力最大的塔頂鋼錨梁作為研究對(duì)象。材料參數(shù)及荷載參數(shù)的選用如下。

混凝土塔柱采用C50混凝土，彈性模量為3.45×104MPa，泊松比為0.2，密度取2 500 kg/m3；鋼錨梁采用Q345鋼材，彈性模量為2.05×105MPa，泊松比為0.3，密度取7 850 kg/m3；預(yù)應(yīng)力采用鋼絞線施加，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa，彈性模量為1.95×105MPa，泊松比為0.3，密度取7 850 kg/m3。

混凝土的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值及設(shè)計(jì)值和鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值分別見(jiàn)表1、表2。

表1 混凝土的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值 MPa

表2 鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 MPa

表1中，fck、ftk分別為混凝土抗壓、抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，fcd、ftd分別為混凝土抗壓、抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

1.3 計(jì)算荷載取值及施加

鋼錨梁承受的荷載主要為以下三類，模型荷載加載位置如圖1所示。

圖1 模型荷載加載位置

(1)橫梁結(jié)構(gòu)自重(自重系數(shù)取-1)。

(2)斜拉索索力荷載(取值見(jiàn)表3)。

(3)預(yù)應(yīng)力荷載(大小為1 395 MPa，預(yù)應(yīng)力鋼筋面積取1 688 mm2)。

根據(jù)全橋計(jì)算模型，提取塔頂最不利荷載組合下的索力值見(jiàn)表3，斜拉索尾索索力采用3D單元面壓力的方式施加。

表3 斜拉索索力值 kN

1.4 有限元模型及邊界條件

采用三維空間分析軟件建立了鋼錨梁模型，鋼結(jié)構(gòu)部分采用尺寸8 mm的空間四面體單元模擬，混凝土部分利用映射網(wǎng)格方法采用8～100 mm 的空間四面體單元模擬。

鋼錨梁有限元模型底部采用固結(jié)約束，以塔根頂面中心位置建立參考點(diǎn)，并把頂面所有節(jié)點(diǎn)(從屬節(jié)點(diǎn))與參考點(diǎn)(主節(jié)點(diǎn))之間進(jìn)行剛接；側(cè)面采用對(duì)稱約束，模型中共1 200 859個(gè)單元，267 163個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元模型如圖2所示，邊界條件如圖3所示，鋼錨梁尺寸及構(gòu)造如圖4所示。

圖2 有限元模型

圖3 有限元模型邊界條件

圖4 鋼錨梁幾何尺寸(單位：mm)

2 鋼錨梁空間復(fù)雜力學(xué)性能分析

為了得出鋼錨梁最不利受力狀態(tài)，建立了3種工況進(jìn)行分析，分別為考慮預(yù)應(yīng)力的線性分析、考慮預(yù)應(yīng)力的非線性分析、不考慮預(yù)應(yīng)力的非線性分析。

2.1 線性分析

考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋的作用，并使用線性分析計(jì)算方法，各接觸面采用共節(jié)點(diǎn)方式連接，牛腿頂板與鋼箱底板之間拉開(kāi)0.5 mm間距，用來(lái)模擬連接單元，利用僅受壓彈性連接來(lái)模擬成橋階段牛腿頂板與錨梁底板之間的高強(qiáng)螺栓連接。整個(gè)工況共分為3個(gè)施工階段：成橋階段、運(yùn)營(yíng)階段、斷索階段。

成橋階段在對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束，橋塔混凝土底部采用固定約束。左側(cè)牛腿頂板與鋼箱底板設(shè)置僅受壓連接與邊緣部分焊接，右側(cè)牛腿頂板與鋼箱底板設(shè)置僅受壓連接。

運(yùn)營(yíng)階段施加運(yùn)營(yíng)索力，并將僅受壓一側(cè)邊緣焊接，利用彈性連接中的剛接單元進(jìn)行模擬。

斷索階段是為了考慮橋梁運(yùn)營(yíng)期間突發(fā)的一側(cè)斷索情況，采用在前面2個(gè)施工階段上鈍化一側(cè)索力來(lái)模擬。

2.2 非線性分析

為了考慮成橋階段采用高強(qiáng)螺栓連接牛腿頂板與鋼錨梁底板時(shí)的摩擦作用，采用一般接觸來(lái)模擬兩者之間作用，摩擦系數(shù)設(shè)為0.03，并且考慮預(yù)應(yīng)力的作用，進(jìn)行非線性分析。

2.3 力學(xué)性能分析

各工況應(yīng)力云圖如圖5、圖6所示(混凝土主壓應(yīng)力云圖以線性分析成橋階段工況為例)。

圖5 成橋階段混凝土主壓應(yīng)力線性分析結(jié)果(單位：MPa)

圖6 鋼錨梁等效應(yīng)力結(jié)果(單位：MPa)

由圖5可以看出，混凝土主壓應(yīng)力在牛腿頂板與錨梁底板、牛腿壁板三者角點(diǎn)處較大，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

由圖6可以看出，鋼錨梁腹板與鋼錨梁底板交界角點(diǎn)處、錨墊板角點(diǎn)處存在較大應(yīng)力，牛腿腹板與鋼錨梁焊接角點(diǎn)部位存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。對(duì)于塑性較好的材料，當(dāng)承受穩(wěn)定壓力或重復(fù)次數(shù)很少的荷載時(shí)，局部應(yīng)力對(duì)安全影響甚小，只要結(jié)構(gòu)大面積上的應(yīng)力仍處于彈性狀態(tài)，局部應(yīng)力過(guò)高就不會(huì)直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

各工況應(yīng)力結(jié)果如表4、表5所示。

表4 線性分析方法等效應(yīng)力最大值 MPa

表5 非線性分析方法等效應(yīng)力最大值 MPa

斷索工況下混凝土主壓應(yīng)力較大位置集中于未斷索一側(cè)牛腿頂板附近混凝土區(qū)域。分析原因?yàn)橛捎诹硪粋?cè)松開(kāi)，失去水平方向力，導(dǎo)致未斷索一側(cè)水平力增大。

由表4、表5及圖7、圖8可知，在模擬出牛腿頂板與鋼錨梁底板之間的摩擦作用后，鋼錨梁等效應(yīng)力最大值為214 MPa，略大于線性分析的應(yīng)力結(jié)果176 MPa。應(yīng)力較大區(qū)域基本都位于相同區(qū)域即鋼錨梁的腹板與底板角點(diǎn)處。牛腿頂板最大應(yīng)力為203 MPa，與線性分析的應(yīng)力結(jié)果135 MPa相比，牛腿頂板最大應(yīng)力增大約50%。

圖7 鋼錨梁結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力對(duì)比

圖8 牛腿結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力對(duì)比

不考慮預(yù)應(yīng)力情況下在模擬出成橋階段牛腿頂板與鋼錨梁底板之間的摩擦后，鋼錨梁等效應(yīng)力最大值為180 MPa，與考慮預(yù)應(yīng)力非線性分析時(shí)鋼錨梁等效應(yīng)力最大值214 MPa相比，應(yīng)力值減小。應(yīng)力較大區(qū)域也都位于相同區(qū)域即錨梁腹板與錨梁底板焊接角點(diǎn)處。

3 結(jié)論

以某特大斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)索塔錨固區(qū)鋼錨梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多工況受力計(jì)算分析，得出以下結(jié)論。

(1)本文重點(diǎn)針對(duì)成橋階段牛腿頂板與鋼錨梁底板之間的摩擦作用對(duì)牛腿頂板應(yīng)力影響大小進(jìn)行分析，通過(guò)線性分析與非線性分析結(jié)果的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)考慮摩擦作用后牛腿頂板應(yīng)力增大了約50%。為保證結(jié)構(gòu)安全，在對(duì)鋼錨梁受力進(jìn)行分析時(shí)不可忽略牛腿頂板與鋼錨梁底板之間的摩擦作用。

(2)考慮預(yù)應(yīng)力作用的非線性分析得到的鋼錨梁結(jié)構(gòu)及牛腿結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力均大于不考慮預(yù)應(yīng)力作用的非線性分析得到的鋼錨梁結(jié)構(gòu)及牛腿結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力，牛腿頂板應(yīng)力增長(zhǎng)最為明顯，增大約36%。為保證結(jié)構(gòu)安全，在對(duì)錨固區(qū)計(jì)算分析時(shí)應(yīng)考慮預(yù)應(yīng)力的作用。

(3)通過(guò)對(duì)運(yùn)營(yíng)工況和斷索工況下分析結(jié)果的對(duì)比，斷索工況下混凝土的主壓應(yīng)力明顯增大，且牛腿頂板的應(yīng)力較運(yùn)營(yíng)工況增大約40%，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮不平衡索力的影響，加強(qiáng)焊縫設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)的安全性。

(4)在3種工況作用下，鋼錨梁腹板與底板焊接角點(diǎn)處、牛腿壁板與頂板及腹板焊接部位均存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，屬于受力薄弱部位，實(shí)際施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)薄弱部位的檢測(cè)。