趙喻賢，何 畏，魯思寧

（西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031）

鋼斜拉橋Z型外露式索梁錨固區(qū)受力特性分析

趙喻賢，何 畏，魯思寧

（西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031）

以珠海市橫琴新區(qū)在建橋梁——依依橋的前錨結(jié)構(gòu)為研究對象，研究了Z型外露式索梁錨固結(jié)構(gòu)的可視化設(shè)計方法、結(jié)構(gòu)傳力途徑及主要構(gòu)件的應(yīng)力分布等關(guān)鍵問題。研究表明索梁錨固結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，但應(yīng)力大小在相關(guān)規(guī)范限值內(nèi)，能夠滿足鋼梁斜拉橋的功能需要。作為一個特殊索梁錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計，也可供相關(guān)橋梁設(shè)計者參考。

鋼斜拉橋；索梁錨固；傳力途徑；可視化設(shè)計

0 引言

斜拉橋是一種古老而年輕的橋型結(jié)構(gòu)。自1955年瑞典修建的第一座現(xiàn)代大跨徑斜拉橋的Stromsund橋以來，在不到半個世紀(jì)內(nèi)，跨徑已由182.6 m發(fā)展到如今的1 104 m（俄羅斯島大橋Russky Island Bridge）。發(fā)展非常的迅速，這是和設(shè)計理論和計算技術(shù)的提高分不開的。而斜拉橋索梁錨固區(qū)是斜拉索與主梁之間傳遞索力的重要結(jié)構(gòu)，其剛度變化大、局部應(yīng)力大、傳力復(fù)雜，是斜拉橋控制設(shè)計的關(guān)鍵部位[1]。大跨度鋼箱梁斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)主要有錨箱式（承壓式）連接、耳板式（銷鉸式）連接、錨管式連接和錨拉板連接等4種連接形式[2]。

（1）錨箱式（承壓式）連接是設(shè)置錨固梁（塊），將錨固梁（塊）用焊接或高強(qiáng)螺栓與主梁連接，斜拉索錨固在錨固梁（塊）上；也有將主梁外伸出牛腿作為錨固梁。由于錨固梁（塊）在多個方向需要補(bǔ)強(qiáng)，在設(shè)計時一般做成錨箱。日本多多羅大橋的索梁錨固結(jié)構(gòu)[3]如圖1所示。

圖1 錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)示意圖

（2）耳板式連接也稱為銷鉸式連接，是借鑒懸索橋吊索連接方式發(fā)展起來的一種索梁錨固形式。結(jié)構(gòu)是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。我國杭州灣跨海大橋的索梁錨固結(jié)構(gòu)[4]如圖2所示。

圖2 耳板式索梁錨固結(jié)構(gòu)示意圖

（3）錨管式連接是將錨管在錨固位置與腹板相焊接于一體。錨管端部設(shè)置有承壓板，拉索錨固在承壓板上。索力通過鋼管傳遞給主梁或縱梁的腹板。我國廣東的汕頭宕石大橋[5]的錨管式錨固結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 錨管式索梁錨固結(jié)構(gòu)示意圖

（4）錨拉板式連接一般是將一塊厚鋼板作為錨拉板，在錨拉板上部開槽，槽口內(nèi)側(cè)與錨管相焊接，斜拉索穿過錨管錨固在錨管底部的錨墊板上。結(jié)構(gòu)包括錨拉板、錨墊板、錨拉管和加勁板[6]。錨拉板底部與主梁面板相焊接，兩側(cè)設(shè)有加勁板，為了補(bǔ)償開槽部分對錨拉板截面的削弱，以及增強(qiáng)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。我國湛江海灣大橋[7]的索梁錨固結(jié)構(gòu)也采用這種連接，如圖4所示。

圖4 錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)示意圖

珠海市橫琴新區(qū)在建的依依橋的前錨是Z型外露式索梁錨固結(jié)構(gòu)，它不同于上述四種常用錨固形式，其傳力具有間接性，故分析了該種錨固結(jié)構(gòu)的可視化設(shè)計方法、結(jié)構(gòu)傳力途徑及主要構(gòu)件的應(yīng)力分布等關(guān)鍵問題，為設(shè)計、制造這一新型結(jié)構(gòu)提供了參考。

1 工程背景

依依橋如圖5所示。該橋設(shè)計為斜拉加勁連續(xù)鋼箱梁橋，布跨方式為4×30 m+68 m=188 m，主跨68 m，通航孔設(shè)置在主跨跨徑內(nèi)。橋塔高37.2 m，橋?qū)挒?1～38 m變寬，以滿足道路渠化（4車道變6車道）及配合背索錨固需求。道路等級為城市次干道。依依橋取義來源于中國的古代非常漂亮的鳳首箜篌，主橋橋型采用有背索的曲塔斜拉橋，橋塔向北岸彎曲傾斜，配合豎琴型前索，在滿足經(jīng)濟(jì)實用原則的基本前提下，全橋結(jié)構(gòu)力線明確，積極向上的張力和曲線優(yōu)美的索塔組合，是東方古典韻律與現(xiàn)代氣息的完美結(jié)合。

圖5 依依橋效果圖

斜拉橋前索面采用密索體系，其索距為3 m。為了便于斜拉索換索，日常檢查維護(hù)，以及景觀需求，前索在鋼箱梁上的錨固方式采用Z型外露式索梁錨固構(gòu)造，如圖6～圖8所示。

圖6 索梁錨固（a）結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 索梁錨固（b）結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

圖8 索梁錨固（c）結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

斜拉索通過錨墊板、套筒、錨拉板、加勁板等與鋼箱梁的頂板，橫隔板，腹板焊接。索梁錨固結(jié)構(gòu)的板件材料均采用Q345C。

其中，錨拉板t=32 mm，圓形套筒t=30 mm，套筒內(nèi)加勁t=14 mm，錨墊板t=40 mm，頂板t=20 mm，腹板t=25 mm，橫隔板t=16 mm。梁上部分索梁錨固結(jié)構(gòu)尺寸為1 500 mm×400 mm×1 800 mm（長×寬×高），其中套筒長度設(shè)計為600 mm。斜拉索則為擠壓錨固鋼絞線拉索。

建筑信息模型（BIM）以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成建筑工程項目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，是對工程項目設(shè)施實體與功能特性的數(shù)字化表達(dá)。采用SolidWorks軟件進(jìn)行三維可視化建模設(shè)計，其結(jié)構(gòu)設(shè)計方案效果圖如圖9所示。

圖9 Z型外露式索梁錨固構(gòu)造效果圖

2 有限元模型分析

利用有限元分析軟件Midas/FEA，采用板單元建模，將長3 m、寬4 m范圍內(nèi)的梁體結(jié)構(gòu)連同前索Z型錨固結(jié)構(gòu)建立索梁錨固區(qū)空間仿真模型，如圖10所示。

圖10 索梁錨固結(jié)構(gòu)有限元模型

根據(jù)全橋模型在正常使用組合下計算的最大索力P=480 kN，分別進(jìn)行了1.0 P，1.4 P，1.7 P，3種工況的仿真計算。通過對鋼箱梁上Z型索梁錨固結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部應(yīng)力分析，可以得到索梁錨固結(jié)構(gòu)的傳力途徑，如圖11所示。

圖11 索梁錨固結(jié)構(gòu)傳力途徑圖

各構(gòu)件在1.0P下的Mises應(yīng)力圖如圖12～圖15所示。

圖12 錨拉板應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖13 套筒應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖14 頂板應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖15 橫隔板、腹板應(yīng)力圖（單位：MPa）

根據(jù)以上仿真計算的結(jié)果，通過總結(jié)可以得到表1所列的應(yīng)力值。

表1 模型最大的Mises應(yīng)力值一覽表 MPa

結(jié)果表述如下。

2.1 錨拉板

斜拉索通過套筒將力傳遞給錨拉板，如圖12所示。錨拉板在錨墊板開槽口附近存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，但應(yīng)力擴(kuò)散較快，隨著遠(yuǎn)離應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力迅速降至較低水平。由表1可見，在1.7 P作用下，槽口附近應(yīng)力達(dá)到了331 MPa，但是依然小于Q345C鋼材的屈服強(qiáng)度345 MPa，所以錨拉板是可靠的。錨拉板的邊緣位置應(yīng)力水平較大，中部相對較小，與套筒接觸位置附近，在1.0 P作用下，達(dá)到了69 MPa，但沿著錨拉板形狀向下，應(yīng)力水平逐漸降至40 MPa以下。當(dāng)力傳遞至錨拉板前腳點時，局部應(yīng)力增大至63 MPa。當(dāng)力傳遞至錨拉板后腳點（錨拉板與橫隔板接觸位置附近）時，局部應(yīng)力增大至171 MPa，總體應(yīng)力水平仍然小于Q345C鋼材的強(qiáng)度設(shè)計值270 MPa，并且應(yīng)力水平低于40 MPa部分占錨拉板面積的72%。

2.2 套筒

斜拉索通過錨墊板直接傳力至套筒壁，如圖13所示，與錨墊板接觸位置附近，套筒壁的應(yīng)力水平較大，隨著力傳遞至錨拉板，沿套筒縱向的應(yīng)力逐漸減小，至套筒另一端時，應(yīng)力水平才有所增大。由表1可見，在1.7 P作用下，套筒最大應(yīng)力為135 MPa，小于Q345C鋼材的屈服強(qiáng)度345 MPa，所以套筒是可靠的，并且富余一定的安全度。在1.0 P作用下，套筒最大應(yīng)力為79 MPa，應(yīng)力水平低于17 MPa部分占錨拉板面積的27%。

2.3 鋼箱梁頂板，橫隔板和腹板

錨拉板將力傳至鋼箱梁頂板和橫隔板，橫隔板再將力傳遞給腹板，如圖14和圖15所示，在錨拉板的腳點處，頂板和橫隔板局部應(yīng)力水平較大，但應(yīng)力很快就擴(kuò)散至整個鋼箱梁。總體應(yīng)力水平比較低。

3 優(yōu)化后的分析

由于最初的設(shè)計不利于加工制造，并且結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平還可以作進(jìn)一步降低，所以對索梁錨固結(jié)構(gòu)的傳力作了如下的優(yōu)化設(shè)計。

在保證前錨Z型外露式索梁錨固結(jié)構(gòu)外觀造型一致的情況下，將圓形套筒改作薄鋼板做裝飾筒，錨拉板頭部與承壓板（t=20 mm）共同構(gòu)成“矩形筒”（見圖16），直接承受斜拉索傳遞給錨墊板的壓力。矩形筒的長度設(shè)計為1 000 mm，并對錨拉板的線型做了進(jìn)一步的修正。

圖16 優(yōu)化后的承壓板結(jié)構(gòu)圖

對優(yōu)化后Z型外露式索梁錨固結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，同樣建立類似的采用板單元空間仿真模型。根據(jù)全橋模型在正常使用組合下計算的最大索力P=460 kN，分別進(jìn)行了1.0P，1.4P，1.7P，3種工況的仿真計算，其索梁錨固結(jié)構(gòu)的傳力途徑，如圖17所示。

各構(gòu)件在1.0P索力下的Mises應(yīng)力圖如圖18～圖21所示。

圖17 索梁錨固結(jié)構(gòu)傳力途徑圖

圖18 錨拉板應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖19 承壓板應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖20 頂板應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖21 橫隔板、腹板應(yīng)力圖（單位：MPa）

根據(jù)優(yōu)化后的索梁錨固結(jié)構(gòu)的仿真計算的結(jié)果，可以總結(jié)得到表2所列的應(yīng)力值。

表2 優(yōu)化后模型的最大的Mises應(yīng)力值一覽表 MPa

結(jié)果表述如下。

3.1 錨拉板

斜拉索通過錨墊板直接將力傳遞給錨拉板和承壓板。如圖18所示，錨拉板在倒小圓角處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，但是應(yīng)力很快擴(kuò)散至較低水平。應(yīng)力傳力途徑與最初的設(shè)計方案近似。由表2可見，在1.7P作用下，倒小圓角處應(yīng)力最大達(dá)到了325 MPa，小于Q345C的屈服強(qiáng)度。在1.0P作用下，錨拉板前腳點局部應(yīng)力大小為82 MPa，后腳點局部應(yīng)力大小為149 MPa，并且應(yīng)力水平低于40 MPa部分，由優(yōu)化前的72%提高到了88%。這也說明，錨拉板應(yīng)力水平整體有很顯著的降低，也更為有效地將索力通過錨拉板傳至鋼箱梁的頂板，橫隔板。

3.2 承壓板

斜拉索通過錨墊板直接傳力至承壓板壁，如圖19所示，與錨墊板接觸位置附近，承壓板的應(yīng)力水平較大，隨著力傳遞至錨拉板，沿承壓板縱向的應(yīng)力逐漸減小，至套筒另一端時，應(yīng)力水平降至很低水平。由表2可見，在1.7P作用下，承壓板的最大應(yīng)力為32 MPa，遠(yuǎn)小于Q345C的屈服強(qiáng)度345 MPa，安全富余度很大。在1.0P作用下，承壓板最大應(yīng)力為19 MPa，應(yīng)力水平低于17 MPa部分占承壓板面積的93%，遠(yuǎn)高于優(yōu)化前占比的27%。由此可知，優(yōu)化后的承壓板整體應(yīng)力水平有明顯的降低，索力可以高效的通過承壓板傳至錨拉板。

3.3 鋼箱梁頂板，橫隔板和腹板

錨拉板將力傳至鋼箱梁頂板和橫隔板，橫隔板再將力傳遞給腹板，如圖20和圖21所示，在錨拉板的腳點處，頂板和橫隔板局部應(yīng)力水平較大，但是應(yīng)力很快就擴(kuò)散至整個鋼箱梁。

通過以上分析比較，依依橋最終選定優(yōu)化后的Z型外露式索梁錨固結(jié)構(gòu)作為斜拉橋的前錨。由武橋重工制造的前錨結(jié)構(gòu)，如圖22所示。

圖22 斜拉橋前錨工廠制造實景

4 疲勞驗算

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64-2015）[8]第5.5節(jié)，對優(yōu)化后的Z型外露式索梁錨固結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行抗疲勞設(shè)計。通過全橋模型進(jìn)行計算，結(jié)合疲勞細(xì)節(jié)。計算得到該索梁錨固結(jié)構(gòu)疲勞應(yīng)力幅為26.4 MPa，小于該索梁錨固結(jié)構(gòu)的最大允許疲勞應(yīng)力幅49.1 MPa，故抗疲勞性能良好，但是對于結(jié)構(gòu)的疲勞應(yīng)力熱點區(qū)域，仍然需要加強(qiáng)監(jiān)控。

5 結(jié)論

（1）通過理論分析，明確了Z型索梁錨固結(jié)構(gòu)的傳力機(jī)理。由拉索傳遞至承壓板和錨拉板，再由錨拉板傳至鋼箱梁頂板和橫隔板，由此傳至整個鋼箱梁。

（2）采用Z型外露式索梁錨固結(jié)構(gòu)，在索力作用下，索梁錨固結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要集中在錨拉板的倒角處和與頂板焊接的腳趾處，以及承壓板，錨拉板與錨墊板直接接觸部分，但是應(yīng)力在其周圍放射狀擴(kuò)散至較低水平。在1.0 P最大設(shè)計索力作用下，各板件應(yīng)力大小在相關(guān)規(guī)范限值內(nèi)，在1.7 P最大索力設(shè)計下，索力錨固結(jié)構(gòu)未發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)仍然富余一定的安全度。

（3）Z型外露式索梁錨固結(jié)構(gòu)中與錨墊板直接承壓部分，建議不做成套筒的形式，而是做成箱形結(jié)構(gòu)，并且增加承壓板的縱向長度。這樣做既可以方便工廠制造，保證質(zhì)量，又可以增加與錨墊板直接承壓部分的傳力長度，進(jìn)一步降低錨拉板的應(yīng)力水平，優(yōu)化傳力途徑。

（4）優(yōu)化了一種適用于中小跨徑斜拉橋的新型索梁錨固設(shè)計。這種結(jié)構(gòu)雖是一種非直接傳力的設(shè)計，需建立細(xì)部有限元模型進(jìn)行分析，從優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)有限元計算中可知其傳力途徑仍較為明確。因此該項研究可為同類結(jié)構(gòu)的設(shè)計，試驗與分析提供一定的參考。

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

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[8]JTG D64-2015，公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范[S].

滬通鐵路長江大橋天生港航道橋合龍

近日，世界最大跨徑重載公鐵兩用鋼拱橋——滬通鐵路長江大橋天生港航道橋順利合龍。該橋是我國沿海鐵路大通道中滬通鐵路段的跨長江控制性工程。上層為雙向6車道錫通高速公路，下層為雙線滬通鐵路和雙線通蘇嘉城際客運(yùn)專線。大橋全長11 072 m，南側(cè)跨越長江主航道，采用主跨1 092 m的鋼桁梁斜拉橋結(jié)構(gòu)，為目前世界上最大跨徑的公鐵兩用斜拉橋。大橋北側(cè)跨越天生港專用航道，采用主跨336 m的剛性梁柔性拱橋結(jié)構(gòu)，為目前世界上最大跨徑重載公鐵兩用鋼拱橋。

U448.27

A

1009-7716（2017）03-0091-06

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.026

2016-12-21

趙喻賢（1992-），男，四川成都人，在讀碩士研究生，研究方向：橋梁工程。