喬建剛，劉志才，趙傳亮

（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市300051）

1 工程背景

天津京津塘高速公路機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站是北京進(jìn)入天津的重要門(mén)戶(hù)，綜合考慮收費(fèi)站罩棚功能及景觀效果要求，針對(duì)結(jié)構(gòu)跨大梁薄的特點(diǎn)，收費(fèi)站罩棚結(jié)構(gòu)形式確定為：帶水平拉索的鋼箱截面拱形兩鉸門(mén)式剛架（見(jiàn)圖1）。橫橋向剛架共布置3榀，每榀剛架結(jié)構(gòu)寬5 m（按景觀要求，剛架柱腿段橫向?qū)挾戎饾u縮減，從5 m線性變化到3 m），相鄰兩榀剛架之間間距4 m，采用9根橫梁將二者連接起來(lái)。該門(mén)式剛架跨度較大，兩柱腳中心距離為87.4 m。罩棚跨中結(jié)構(gòu)頂面離地面15.7 m。跨中梁高1.05 m，高跨比僅為1/83.2。剛架截面形式為單箱雙室，角隅附近為了錨固拉索及加強(qiáng)梁柱交點(diǎn)剛度，增加兩道腹板，即角隅附近截面形式為單箱4室。為了平衡拱形門(mén)架的水平推力并改善結(jié)構(gòu)的受力性能，每榀剛架設(shè)置了兩根水平拉索。拉索與剛架鋼箱之間的錨固采用鋼錨箱的形式。

圖1 收費(fèi)站罩棚立面圖（單位：m）

2 鋼錨箱構(gòu)造形式

鋼錨箱布置于水平拉索兩側(cè)鋼箱內(nèi)，由錨墊板、承壓板、錨固板、加強(qiáng)板、橫向加勁板及縱向加勁板等板件組成（見(jiàn)圖2）。拉索通過(guò)錨具錨固在錨墊板上,錨墊板與承壓板之間通過(guò)磨光頂緊連接。承壓板和錨墊板均開(kāi)有圓孔。錨固板與鋼箱腹板焊接,與加強(qiáng)板一起共同傳遞索力。此外在錨固板外側(cè)還設(shè)置有加勁肋板,增強(qiáng)錨固板的穩(wěn)定性,減小其變形。

圖2 鋼錨箱立面圖

鋼錨箱式錨固形式構(gòu)造復(fù)雜,受力集中,是控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位[1,2]，因此必須對(duì)拉索錨固區(qū)進(jìn)行局部受力分析。設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)鋼錨箱的布置方式，提出了兩種布置方案：方案一，將兩個(gè)鋼錨箱通過(guò)錨固板分別焊接在鋼箱截面中心線處中腹板的兩側(cè)，如圖3（a）所示；方案二，將鋼錨箱通過(guò)錨固板焊接在相鄰兩道鋼箱中腹板之間，如圖3（b）所示。分別對(duì)兩種方案進(jìn)行受力分析。

圖3 鋼錨箱布置圖

3 拉索錨固區(qū)有限元模型

本文采用ANSYS軟件中的殼單元分別對(duì)兩個(gè)方案拉索錨固區(qū)建立空間有限元模型（見(jiàn)圖4）。鋼錨箱材料選用Q345D結(jié)構(gòu)用鋼,取彈性模量為2.1×105 MPa，泊松比為 0.3。

圖4 拉索錨固區(qū)有限元模型

邊界條件為模型底端和上端固結(jié)。索力以施加分布?jí)毫?lái)實(shí)現(xiàn),加載位置為錨具螺母在錨墊板上的投影面,呈圓環(huán)狀。兩側(cè)錨箱的加載索力,取1.2倍的設(shè)計(jì)索力，為1 200 kN。

4 拉索錨固區(qū)有限元線彈性分析

考慮到施工過(guò)程中拉索張拉順序及后期換索等情況，分別對(duì)方案一和方案二拉索錨固區(qū)進(jìn)行了以下兩個(gè)荷載工況的有限元線彈性分析[3]。工況一：?jiǎn)胃魇┘?.2倍設(shè)計(jì)索力，另外一根拉索不張拉；工況二：兩跟拉索均施加1.2倍設(shè)計(jì)索力。

4.1 方案一拉索錨固區(qū)板件應(yīng)力和變形

方案一在工況一即只張拉單根拉索的情況下，鋼錨箱整體應(yīng)力水平較低，錨下應(yīng)力在70 MPa以下；承壓板與中腹板連接處以及錨固板與中腹板連接處端部局部應(yīng)力集中，錨墊板與中腹板相接角隅處等效應(yīng)力達(dá)到348 MPa，如圖5（a）所示，中腹板與錨箱連接角點(diǎn)處等效應(yīng)力達(dá)到292 MPa，如圖6（a）所示。方案一在工況二下應(yīng)力狀況良好，如圖5（b）、圖 6（b）所示。對(duì)比圖 6（a）、圖 6（b），可見(jiàn)工況一、二鋼錨箱傳遞到中腹板的傳力機(jī)制明顯不同：工況一下由于荷載的不平衡使得中腹板扭曲變形，基本靠與鋼錨箱連接處前端和末端傳遞受力，應(yīng)力集中明顯；工況二下則傳力平順。

圖5 方案一鋼錨箱等效應(yīng)力

方案一在工況一下板件變形極值2.57 mm，工況二下板件變形極值0.44 mm，各工況下變形均較小。工況一由于荷載對(duì)中腹板作用的不平衡，使中腹板局部扭曲，從而變形大于工況二兩根拉索均張拉的情況。

圖6 方案一中腹板等效應(yīng)力

4.2 方案二拉索錨固區(qū)板件應(yīng)力和變形

方案二在工況一即只張拉單根索的情況下，鋼錨箱整體應(yīng)力水平較低，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在承壓板錨下位置附近，應(yīng)力在87 MPa以下；承壓板與中腹板連接處有應(yīng)力集中，但應(yīng)力水平很低，小于29 MPa。在工況二下，鋼錨箱整體應(yīng)力水平較低，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在承壓板錨下位置附近，應(yīng)力在86.1 MPa以下；承壓板與中腹板連接處有應(yīng)力集中，但應(yīng)力水平很低，小于38 MPa。兩種工況下應(yīng)力擴(kuò)散都較快，大部分區(qū)域應(yīng)力分布均勻（見(jiàn)圖7、圖8），錨固板及承壓板與中腹板連接處應(yīng)力情況均良好。

方案二在工況一下板件變形極值0.25 mm，工況二下板件變形極值0.31 mm，各工況下變形均較小。

圖7 方案二鋼錨箱等效應(yīng)力

圖8 方案二中腹板等效應(yīng)力

5 對(duì)比結(jié)果及結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)兩個(gè)方案分別在兩種工況下的有限元分析，得到以下結(jié)論：

（1）方案一在工況一即只張拉單根拉索的情況下，由于荷載對(duì)中腹板作用的不平衡，使得中腹板扭曲變形，拉索錨固區(qū)傳力機(jī)制發(fā)生變化，基本靠與鋼錨箱連接處前端和末端傳遞受力，應(yīng)力集中明顯，接近甚至超過(guò)鋼材屈服強(qiáng)度，偏于不安全。

（2）方案二在工況一即只張拉單根拉索的情況下，鋼錨箱通過(guò)錨固板連接到兩片中腹板上，兩片中腹板共同受力，變形較小，未發(fā)生明顯扭曲，傳力平順。

（3）方案一、方案二在工況二荷載作用下應(yīng)力情況均良好，變形較小，傳力平順。

通過(guò)以上分析，設(shè)計(jì)最終采用方案二鋼錨箱布置方式，即將鋼錨箱通過(guò)錨固板焊接在相鄰兩道鋼箱中腹板之間的布置方式，從而保證拉索錨固區(qū)在施工、維護(hù)及正常使用情況下均安全可靠。

目前，天津京津塘高速公路機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站新建罩棚已經(jīng)順利竣工并投入使用。結(jié)構(gòu)安全可靠，實(shí)景簡(jiǎn)潔大氣，輕盈秀美，與效果圖吻合良好，獲得了廣泛好評(píng)。圖9為罩棚實(shí)景。

圖9 罩棚實(shí)景

[1]丁雪松，熊剛，謝斌.大跨度鋼箱梁斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用[J].世界橋梁，2007(4):70-73.

[2]李小珍，蔡婧，強(qiáng)士中.大跨度鋼箱梁斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)形式的比較[J].工程力學(xué)，2004,21(6):84-90.

[3]狄謹(jǐn)，周緒紅，游金蘭，等.鋼箱梁斜拉橋索塔錨固區(qū)的受力性能[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2007,20(4):48-52.