王良雷

（華東建筑設(shè)計院市政工程設(shè)計院，上海市 200041）

鋼混疊合梁拉索錨固區(qū)受力性能分析

王良雷

（華東建筑設(shè)計院市政工程設(shè)計院，上海市 200041）

斜拉橋結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為了橋梁工程中最常見的一種結(jié)構(gòu)形式，近年來有了較大的發(fā)展。但拉索錨固區(qū)的合理設(shè)計一直是斜拉橋設(shè)計的重點。斜拉橋的索梁錨固形式的優(yōu)化也有一定程度的發(fā)展，最常見的索梁錨固形式包括齒塊式、錨箱式、錨拉板式等，其中錨拉板式應(yīng)用相對較少。針對背景工程在疊合梁中所用的錨拉板式索梁錨固區(qū)開展相關(guān)研究，對錨頭與錨墊板之間的傳力特性進(jìn)行了接觸非線性分析，對錨固區(qū)內(nèi)錨拉板自身的結(jié)構(gòu)性能，錨固區(qū)內(nèi)主梁的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。并對錨固區(qū)內(nèi)關(guān)鍵焊縫的受力情況進(jìn)行研究，對錨固區(qū)的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了綜合評價。

斜拉橋；錨拉板；受力性能；數(shù)值模擬；焊縫應(yīng)力

0　引言

斜拉橋巨大的索力集中地作用于索梁錨固結(jié)構(gòu)，索梁錨固結(jié)構(gòu)是一個局部應(yīng)力大、傳力復(fù)雜的區(qū)域，它要將巨大的索力分散到整個主梁截面[1]。因此斜拉索的錨固結(jié)構(gòu)是斜拉橋的關(guān)鍵部位，斜拉索錨固的可靠與否直接關(guān)系到整個大橋的安全。設(shè)計時應(yīng)盡量使力線流暢，避免出現(xiàn)過大的應(yīng)力集中；否則，在長期動載和靜載作用下，可能出現(xiàn)疲勞或強度破壞。

斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)不僅要設(shè)計合理，還要注意實際的加工工藝水平以及考慮養(yǎng)護的方便。在斜拉橋的設(shè)計壽命期間，斜拉索的更換在正常情況下已不可避免，因而要求錨固結(jié)構(gòu)上拉索可以且能方便的更換。對于主梁來說，斜拉索錨固結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量減少甚至避免對主梁的削弱以及對主要受力構(gòu)件的切斷；錨固結(jié)構(gòu)要使索力的傳遞途徑簡捷，主梁各構(gòu)件受力盡量明確，而且能使強大的集中力在主梁中迅速地分散，變得均勻。另外，由于錨固點處受巨大的索力作用，所以錨固點附近的橋面板、腹板、底板等構(gòu)件要注意防止局部破壞。

目前，斜拉索與混凝土梁連接主要采用齒塊式錨固形式；我國大跨度鋼箱梁斜拉橋中常見的索梁錨固型式主要有以下四種[2]：錨箱式錨固形式、耳板式錨固形式、錨管式錨固形式、錨拉板式錨固形式。

齒塊式錨固的錨固塊根據(jù)傳力的要求和構(gòu)造的形式可以分為頂板齒塊錨固式、腹板齒塊錨固式和底板齒塊錨固式，每種錨固形式都可以適用于不同的錨固區(qū)構(gòu)造。在力的傳遞方面，拉索水平分力主要通過錨固塊以軸壓的形式傳給齒塊附件的頂板、腹板或底板，后再分布到梁體全截面，豎向分力主要通過錨固塊以剪力的形式傳給腹板。

錨箱式連接是設(shè)置錨固梁，將錨固梁用焊接或高強螺栓與主梁連接，斜拉索錨固在錨固梁上；也有的將主梁外伸出牛腿作為錨固梁[3]。由于錨固梁在多個方向需要補強，在設(shè)計時一般做成錨箱。錨箱式索梁連接的優(yōu)點是腹板不受各索橫向傾角的影響，可以采用固定傾角，傾角之差可在錨箱內(nèi)調(diào)整，降低了制造難度，便于節(jié)段的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)；斜拉索減振可以使用內(nèi)置式阻尼器，并能保證阻尼器牢固的連接在主梁上，能充分發(fā)揮阻尼器的作用；對材質(zhì)沒有特殊的要求；錨頭置于風(fēng)嘴內(nèi)，景觀效果好。

耳板式連接也稱為銷鉸式連接，它由主梁的腹板向上伸出一塊耳板，斜拉索通過鉸或鋼管錨固在耳板上，索力直接由耳板傳給主梁的腹板。該種結(jié)構(gòu)具有構(gòu)造簡單，傳力明確、順暢，便于安裝和日常檢修等優(yōu)點，但只適合在塔端張拉。

錨拉板式錨固結(jié)構(gòu)由承壓板、錨管、錨拉板、加勁板及加強板組成。錨拉板上部開槽，槽口內(nèi)側(cè)焊于錨管外側(cè)，斜拉索穿過錨管并用錨具錨固在錨管底部；錨拉板下部直接用焊縫與主梁上翼板焊接；錨拉板中部除了滿足安裝錨具的空間需要之外，還需連接上、下兩部分。為了補償開槽部分對錨拉板截面的削弱，以及增強其橫向剛度與整體性，錨拉板的兩側(cè)焊接加勁板。另外，為確保索力均勻地傳給主梁，與錨拉板連接區(qū)域的主梁上翼板加厚，鋼主梁腹板增設(shè)加勁板[4]。該種結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)各斜拉索橫向傾角的不同，使腹板采用固定傾角，降低了制造難度；同時，其構(gòu)造簡單，便于安裝和日常檢修，但錨固系統(tǒng)外露不美觀；由于拉板與腹板連接是一很長的水平端焊縫，在強大的拉力作用下，疲勞問題較為明顯[5]。

1　背景工程與分析方法

本文的背景工程為某鋼混組合梁斜拉橋，大橋跨徑布置為：162 m+480 m+202 m斜拉橋+4×40 m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，橋梁全長1 014 m。主橋采用雙塔三跨半漂浮體系空間索面結(jié)合梁斜拉橋，橋面總寬為27.5 m。主梁將混凝土橋面板與鋼縱梁和鋼橫梁連結(jié)成整體的鋼-混組合結(jié)構(gòu)，其中橋面板既能將車輪活載傳遞給鋼縱梁和鋼橫梁，又能參與鋼縱梁和鋼橫梁的受力,還起到了連接鋼縱梁和鋼橫梁的作用，保證三者的整體變形，形成所謂的合成橋面板。這種形式的主梁大大減少了梁段制造或澆筑的尺度和重量。

斜拉索與主梁之間通過錨拉板進(jìn)行錨固。每個橋塔兩側(cè)各有19對斜拉索，空間雙索面體系要求根據(jù)拉索位置的不同，錨拉板的順橋向及橫橋向傾角也隨之變化，見圖1。

圖1　錨拉板構(gòu)造示意圖

為了對索梁錨固區(qū)的受力特性進(jìn)行較全面的分析，對索梁錨固區(qū)局部的傳力機理及受力的合理性進(jìn)行分析研究，應(yīng)用大型有限元通用分析軟件ANSYS，主要采用子結(jié)構(gòu)法對局部進(jìn)行三維建模分析。首先應(yīng)用網(wǎng)格劃分較為粗糙的總體模型進(jìn)行總體受力分析，然后從總體模型的分析結(jié)果中得到局部分析區(qū)域的荷載及位移邊界條件，并根據(jù)實際尺寸、構(gòu)造建立局部精細(xì)化模型，并將其荷載及位移邊界條件作為反力施加在相應(yīng)的位置上，最后分析局部區(qū)域子結(jié)構(gòu)，計算局部應(yīng)力，見圖2。

圖2　計算分析有限元模型

為準(zhǔn)確模擬在巨大索力下錨頭與錨墊板的接觸狀態(tài)，在錨墊板與錨具螺母之間建立接觸單元，以錨墊板表面為目標(biāo)面，以錨具螺母表面為接觸面，建立有限元模型分析兩者的接觸非線性行為。接觸摩擦系數(shù)參照結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB 50017-2003），取值為u=0.35。

2　錨固區(qū)受力性能分析

錨頭的接觸非線性結(jié)果分析表明，錨頭與錨墊板在索力作用下的接觸狀態(tài)見圖3。其中，紅色區(qū)域表示錨墊板與錨具螺母緊密接觸（Closed and Sticking）的區(qū)域；橙色區(qū)域表示錨墊板N7與錨具螺母緊密接觸但接觸面水平向有較小相對滑移（Closed and Sliding）的區(qū)域；黃色區(qū)域表示錨墊板N7與錨具螺母有一定脫開位移（Open but Near Contact）的區(qū)域，但是仍然接近于接觸狀態(tài)；本次接觸單元計算結(jié)果中沒有完全脫開的區(qū)域（Open and Not Near Contact）。分析結(jié)果表明錨頭基本與墊板全接觸，墊板的厚度選取較為合適。

圖3　螺母與錨墊板接觸示意圖

總的來說，錨拉板是多塊鋼板焊接而成的空間結(jié)構(gòu)，板件幾何形狀突變不規(guī)則，構(gòu)造和受力狀態(tài)較為復(fù)雜。本橋錨拉板結(jié)構(gòu)在最大索力作用下基本滿足要求。錨拉板各構(gòu)件應(yīng)力水平在允許的范圍內(nèi)，傳力路徑清晰、明確。主拉板和支撐管在二者交接的局部位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，但作用范圍很小，且集中應(yīng)力都較為均勻、平緩地擴散到附近區(qū)域，其他位置主拉板和支撐管的受力均較為均勻。主拉板及拉板加勁在主拉板開槽位置的應(yīng)力較大，荷載從錨頭傳遞一定距離之后主拉板和其加勁位置基本可以均勻的將荷載傳遞至主梁處，各板件的剛度選取較為合理。錨固區(qū)總體的應(yīng)力水平均控制在200 MPa以下，局部小范圍的集中區(qū)域不超過300 MPa，且應(yīng)力能得到較好的擴散，見圖4。

圖4　錨拉板各板件應(yīng)力Mises總體分布

3　錨固區(qū)主要焊縫的受力分析

錨固區(qū)錨拉板受力特性分析錨固區(qū)鋼梁受力性能分析索梁錨固區(qū)是構(gòu)造復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，板件與板件之間通過焊縫連接，為確保結(jié)構(gòu)有足夠的安全性及耐久性，對焊縫的強度要求較高。在巨大索力的作用下焊縫處應(yīng)力水平將直接影響錨固區(qū)的安全。如圖5所示，紅色線標(biāo)出了索梁錨固區(qū)幾條主要焊縫的位置，提取相應(yīng)位置節(jié)點的內(nèi)力，以此分析焊縫的受力性能。提取的位置有：結(jié)合梁錨固區(qū)的三個位置，結(jié)合梁與錨拉板的結(jié)合位置，豎拉板N1與橫拉板N2、N3結(jié)合的兩個位置，豎拉板N1與支撐管結(jié)合位置。

圖5　計算焊縫位置的示意圖

對錨固區(qū)進(jìn)行有限元計算分析后，提取各焊縫相應(yīng)位置節(jié)點的應(yīng)力值，按照各節(jié)點相對坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計匯總，得到主要焊縫的應(yīng)力水平見圖6。

從以上統(tǒng)計可以得到結(jié)合梁錨固區(qū)加勁肋處焊縫（焊縫1～3）應(yīng)力水平較低，均在40.0 MPa以下，受力性能較好。錨拉板與鋼主梁結(jié)合處（焊縫4）是傳力的關(guān)鍵部位，應(yīng)當(dāng)予以重視，經(jīng)過計算分析發(fā)現(xiàn)此處應(yīng)力小于60.0 MPa，但該位置的疲勞特性較為突出需要對其施工質(zhì)量進(jìn)行控制。主拉板與其加勁結(jié)合位置處的焊縫（焊縫5～6）應(yīng)力較大，平均值在100.0 MPa左右，局部位置超過160.0 MPa，但小于200.0 MPa，此處焊縫安全儲備相對較小，對于焊縫質(zhì)量應(yīng)該嚴(yán)格控制。豎拉板與支撐管結(jié)合位置處的焊縫（焊縫7～8）應(yīng)力水平除局部位置較大外，平均應(yīng)力水平在50.0 MPa左右。局部焊縫安全儲備相對較小，對于焊縫質(zhì)量應(yīng)該嚴(yán)格控制。總體而言錨固區(qū)的焊縫應(yīng)力偏大，應(yīng)對焊縫的工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制。

圖6　焊縫應(yīng)力匯總

4　結(jié)　語

索梁錨固結(jié)構(gòu)是一個局部應(yīng)力大、傳力復(fù)雜的區(qū)域，它要將巨大的索力分散到整個主梁截面。因此斜拉索的錨固結(jié)構(gòu)是斜拉橋的關(guān)鍵部位，斜拉索錨固的可靠與否直接關(guān)系到整個大橋的安全。設(shè)計時應(yīng)盡量使力線流暢，避免出現(xiàn)過大的應(yīng)力集中；否則，在長期動載和靜載作用下，可能出現(xiàn)疲勞或強度破壞。

本文針對背景橋梁的索梁錨固區(qū)，在適當(dāng)簡化和合理的假定下進(jìn)行有限元計算分析，以此考察本橋索梁錨固區(qū)的受力性能以及傳力的合理性。通過對本橋索梁錨固區(qū)局部模型的有限元分析可以看出，本橋錨拉板結(jié)構(gòu)在最大索力作用下基本滿足要求，錨拉板各構(gòu)件應(yīng)力水平在允許的范圍內(nèi)，傳力路徑清晰、明確。僅部分局部位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，但作用范圍很小，且集中應(yīng)力都較為均勻、平緩地擴散到附近區(qū)域，通過改變相關(guān)構(gòu)件的尺寸可有效地緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象。

錨固區(qū)的主拉板與支撐管相連的位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，雖然作用范圍較小，不影響總體受力性能，但在施工過程中應(yīng)特別注意各板件間的連接，保證焊縫強度，減小殘余應(yīng)力，才能更好的確保索梁錨固區(qū)在長期動載和靜載作用下的安全性與耐久性。

[1]李本偉.斜拉橋索梁錨固模型試驗與計算分析[D].四川成都:西南交通大學(xué),1997.

[2]李小珍,蔡婧,強士中.大跨度鋼箱梁斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)形式的比較研究[J].土木工程學(xué)報,2001,37(3):73-79.

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[4]侯文崎,葉梅新.結(jié)合梁斜拉橋錨拉板結(jié)構(gòu)研究 [J].鋼結(jié)構(gòu). 2002,17(2):22-27.

[5]任偉平,強士中,李小珍,等.斜拉橋錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)傳力機理及疲勞可靠性研究[J].土木工程學(xué)報,2006(10):68-73.

U441

A

1009-7716（2016）10-0040-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.10.013

2016-04-08

王良雷（1978-），男，江蘇徐州人，高級工程師，從事橋梁設(shè)計工作。