趙文溥

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

隨著橋梁技術(shù)的不斷進(jìn)步，橋梁逐漸向輕型化和組合化發(fā)展，尤其隨著現(xiàn)代人生活水平日漸提高，人們對(duì)城市的美觀提出了更高的要求[1]。V形拱塔斜拉橋因其漂亮的造型以及優(yōu)美的結(jié)構(gòu)受到越來(lái)越多橋梁工作者的青睞。鋼錨箱是斜拉索索力的重要傳力構(gòu)件，鋼錨箱的安全可靠是該橋型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文基于ANSYS對(duì)鋼錨箱所處的拱塔節(jié)段進(jìn)行受力分析計(jì)算，獲得了該錨固區(qū)應(yīng)力的大小和分布規(guī)律，為該橋設(shè)計(jì)提供了有用的參考依據(jù)。

1 工程概況

本文研究的索輔體系斜拉橋，依托于遼寧省朝陽(yáng)市新城東街大橋（圖1），該橋主跨布置為90+90=180 m；引橋跨徑為（29.98+30.02）m和單跨30.04 m，主梁采用單箱四室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，斜腹板。全寬34 m，梁高2.8 m，頂板厚280 mm，底板厚280 mm，塔處增加到550 mm；腹板厚450 mm，塔處斷面增加到750 mm。塔采用雙拱塔V字形，拱塔中心傾斜20°。拱軸線為橢圓線，拱塔斷面為單箱單室鋼箱斷面。拱塔拉索錨固采用鋼錨箱方式，錨箱腹板厚度40 mm，高度1.3 m或1.7 m，塔上索距垂直間距2 m。本文研究的鋼錨箱實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 總體布置示意圖

圖2 鋼錨箱示意圖

該橋?yàn)閂型雙拱塔異形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，尤其是索塔錨固結(jié)構(gòu)為關(guān)鍵受力部位，必須重點(diǎn)加以考慮。

2 整體計(jì)算

在該斜拉橋中，拱塔采用雙拱塔V字形，拱塔中心傾斜20°。拱軸線為橢圓線，拱塔斷面為單箱單室鋼箱斷面，主塔拉索分為水平索和斜拉索。

對(duì)斜拉橋索塔錨固區(qū)進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，一般做法是先對(duì)全橋結(jié)構(gòu)利用桿系有限元程序進(jìn)行分析，得出索塔斷面的組合內(nèi)力和索力，然后取適當(dāng)?shù)墓?jié)段進(jìn)行三維實(shí)體有限元分析[2]。

首先利用Midas Civil建模型（圖3），梁?jiǎn)卧M混凝土主梁，桁架單元模擬拉索。計(jì)算模擬一次落架施工。整個(gè)計(jì)算模型共268個(gè)節(jié)點(diǎn)，264個(gè)單元，計(jì)算采用kN、m制，應(yīng)力單位為MPa。最終計(jì)算分析出最不利荷載作用下，斜拉索受到的索力。

圖3 Midas計(jì)算模型

圖4 最不利荷載下最大索力（單位：kN）

由圖4可以看出在最不利荷載作用下10號(hào)索受到的拉力最大，故選取MX10號(hào)錨箱進(jìn)行建模并進(jìn)行數(shù)值分析，得出斜拉橋索塔錨固區(qū)的應(yīng)力分布狀況。

3 鋼錨箱有限元數(shù)值計(jì)算

所研究的鋼錨箱由于受力復(fù)雜，所以我們選擇10號(hào)鋼錨箱所處的鋼拱塔節(jié)段建立實(shí)體模型進(jìn)行分析，這樣可以模擬更加真實(shí)的受力環(huán)境取得更加準(zhǔn)確的結(jié)果。

拱塔結(jié)構(gòu)的材料屬性如表1所示。

表1 鋼板材料屬性表

計(jì)算模型采用SHELL63彈性殼單元，把在最不利工況下的斜拉索索力換算成錨墊板區(qū)域（除去圓孔面積）的均布面力，其作用方向與拉索方向保持一致（垂直于承壓板），斜拉橋鋼拱塔和鋼錨箱二者接觸面節(jié)點(diǎn)完全耦合，共同受力，模型中拱塔節(jié)段兩端施加固定端約束，同時(shí)還要考慮節(jié)段頂部截面受到上部拱塔的壓力作用，計(jì)算中將其換算為均布荷載施加到頂部截面上[3]。

圖5 鋼拱塔節(jié)段有限元模型

圖6 鋼錨箱有限元模型

4 計(jì)算結(jié)果分析

本文計(jì)算的鋼錨箱處于復(fù)雜的三向應(yīng)力狀態(tài)，通過(guò)對(duì)上述模型進(jìn)行計(jì)算，得出了如下分析結(jié)果：

圖7 N1板Mises應(yīng)力云圖（單位：kPa）

圖8 N1a板Mises應(yīng)力云圖（單位：kPa）

從圖7、圖8中，我們可以看出鋼錨箱N1、N1a側(cè)板與錨墊板連接處產(chǎn)生的應(yīng)力比較大，最大分別能達(dá)到111.6 MPa和102.5 MPa。這是由于在該處錨墊板受到斜拉索索力作用，斜拉索產(chǎn)生的水平力主要由鋼錨箱自身來(lái)平衡，水平力通過(guò)兩者之間的焊縫傳給N1側(cè)板，所以應(yīng)力比較大，其他部位受力比較均勻，總體應(yīng)力不是很大。

圖 9 N2、N2a，N2’及N2a’板 Mises應(yīng)力(單位：kPa)

圖 9 中，鋼錨箱中 N2、N2a 為頂板，N2a′、N2′為底板，不受斜拉索力直接作用，頂板主要受到上面拱塔節(jié)段的壓力作用，底板主要受到下面拱塔節(jié)段的支撐作用，總體受力較小，未出現(xiàn)比較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

N3板為鋼錨箱支撐板（圖10所示），通過(guò)支撐板將部分鋼錨箱未能自身平衡的斜拉索索力傳給鋼拱塔塔壁，由于未能平衡的力比較小，所以在圖中可以看出，靠近錨墊板和側(cè)板連接處的位置應(yīng)力比較大達(dá)到74 MPa，靠近鋼塔壁位置的應(yīng)力小，同樣N4、N5、N6板都是類似情況，不再贅述。

圖10 N3板Mises應(yīng)力(單位：kPa)

圖11 N9板Mises應(yīng)力(單位：kPa)

圖12 拱肋節(jié)段Mises應(yīng)力（單位：kPa）

在圖11中，N9板為鋼錨箱承壓板，承壓板受到斜拉索直接作用，包括承壓板與斜拉索之間的預(yù)緊力作用產(chǎn)生了很明顯的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力達(dá)到300 MPa，承壓板與側(cè)板以及支撐板連接處應(yīng)力也有增大趨勢(shì)，反應(yīng)出鋼錨箱真實(shí)的受力特點(diǎn)；圖12中可以看到拱肋的應(yīng)力較小，僅有60 MPa。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)V形拱塔斜拉橋進(jìn)行整體分析得到最不利荷載下索力，然后運(yùn)用ANSYS對(duì)錨固部分進(jìn)行了計(jì)算，最后得出：

a）拱塔錨固區(qū)整體受力基本滿足要求，拱塔塔壁承受的應(yīng)力較小，承壓板局部應(yīng)力較大，但是也未超出端面承壓的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（400 MPa）。

b）鋼錨箱為空間結(jié)構(gòu)體系，受力非常復(fù)雜，在進(jìn)行有限元分析時(shí)對(duì)模型合理簡(jiǎn)化和對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行正確的判斷十分必要。

c）該橋塔為異型橋塔，索面為空間索面，每個(gè)鋼錨箱的角度都不一樣，鋼錨箱在施工時(shí)應(yīng)精確定位，否則會(huì)造成局部區(qū)域角點(diǎn)應(yīng)力過(guò)大。