黃智華
(上海浦東建筑設計研究院有限公司,上海市 201204)
自錨式懸索橋鋼錨箱設計及受力分析
黃智華
(上海浦東建筑設計研究院有限公司,上海市 201204)
自錨式懸索橋結構新穎美觀,大纜和主梁錨固構造是其關鍵部位。對上海浦東川環(huán)南路浦東運河橋的總體設計作了介紹,該橋為112 m+72 m主跨的自錨式選索橋。采用雙主梁的鋼箱梁,錨箱為鋼結構。鋼錨箱設計新穎,構造獨特。由于其受力特點不易認識,因此,采用板殼單元的有限元模型進行分析,得到了其傳力途徑及各部位應力水平。
自錨式懸索橋;錨固型式;鋼錨箱;有限元模型
上海川沙屬于浦東新區(qū),浦東國際機場位于川沙功能區(qū),2009年,國務院批復迪斯尼樂園項目落戶川沙。因此川沙的地理位置非常重要。川環(huán)南路位于川沙城區(qū),東西向穿越鎮(zhèn)區(qū)中心。川環(huán)南路跨越浦東運河,需新建橋梁。浦東運河規(guī)劃河道藍線寬85 m。由于地理位置非常顯要,且該區(qū)域準備修建生態(tài)島,川環(huán)南路跨越浦東運河的同時,需要跨越該生態(tài)島,因此,112 m+72 m跨徑組合的自錨式懸索橋在眾多方案比選中脫穎而出,既滿足跨越要求,又具有獨特的景觀效果,見圖1。目前該橋已經(jīng)進入實施階段。
圖1 浦東運河自錨式懸索橋效果圖
國外自錨式懸索橋發(fā)展比較早[1],我國近幾年也修建了一些這種橋型。川環(huán)南路浦東運河橋采用自錨式懸索體系,既選用了懸索橋這種大跨度結構,又使用了自錨式體系,克服了上海軟土地基難以建造錨碇的困難。懸索橋的大氣、柔美、力感等特點,給地區(qū)的橋梁建筑景觀增添了豐富的內(nèi)涵。自錨式懸索橋主梁承受較大的水平力,且施工時需要先架設主梁,因此一般跨徑不宜做得太大。本橋根據(jù)現(xiàn)場情況選取跨徑組合為112 m+72 m=184 m的獨塔兩不等跨的型式。橋總寬32 m,兩根主纜平行布置,間距25.5 m。主跨和邊跨均設有吊桿懸吊主梁,吊桿標準間距7 m。主梁采用鋼箱梁結構,有利于施工中先架設主梁的要求。施工中采用少支架即可保證通航的同時架設主梁。在架設主纜及形成自錨式懸索橋體系的過程中,由于主梁的受力要經(jīng)歷很多不同的工況,因此鋼梁的寬廣的應力適應范圍使得其施工控制變得比較容易。橋塔采用雙柱門式鋼筋混凝土橋塔,塔上設置鞍座。
本橋鋼梁采用雙主梁模式,兩片鋼箱梁中心線與大纜位于同一豎向平面內(nèi),其間距與大纜一樣,為25.5 m。利用吊桿將鋼梁的力傳給主纜。兩片鋼梁通過橫梁連接。橋面板為正交異性鋼結構橋面板,見圖2。
主梁和大纜連接需要索梁錨固構造,目前在自錨式懸索橋上的應用還不多,在斜拉橋方面相對應用成熟一些[2],國內(nèi)已有的錨固構造很多是混凝土主梁的[3],鋼結構主梁的自錨式懸索橋,其主纜在梁端錨固構造主要有三種:一是采用混凝土結構,二是采用鋼結構,三是采用鋼絲繩[4]。
圖2 鋼梁標準橫斷面圖(單位:mm)
對于浦東運河橋,采用混凝土錨固構造,其存在錨固空間不太夠,錨下應力過大,同時還需與鋼梁采用剪力連接構件等問題,因此采用鋼結構錨箱是比較合理的選擇。目前應用比較好的例子有長沙三汊磯大橋,其錨固體為格構式結構,由錨固前板、錨固后板、橫向板和豎向板組成[4,5],見圖3。
圖3 鋼錨箱構造簡圖(單位:mm)
浦東運河橋吸取了三汊磯大橋的一些構造優(yōu)點,同時根據(jù)實際情況做了一些創(chuàng)新,其錨固系統(tǒng)主要采用錨固主板M1和橫向板M2組成,見圖3[6]。大纜的力通過M1傳給頂、底、腹板和M2。其中M2是主要傳力板,M2再通過腹板傳遞到整個斷面。整個傳力結構簡單清晰。由于構造較新,需要進行受力分析,采用有限元進行仿真計算可以較為真實的反映結構的受力特點[7]。
對于浦東運河橋的鋼錨箱,選取主跨部分的錨箱,利用MIDAS有限元軟件進行分析。建立鋼錨箱部分的板殼單元模型,模擬了M1(厚50 mm)、M2(厚 24 mm)、頂板(厚 50 mm)、腹板(厚 40 mm)、底板(厚40 mm)。對于大纜,其在M1板錨固部位與M1的板單元共用節(jié)點,在大纜散索鞍部位施加設計纜力14 888 kN,方向為順大纜軸心方向。大纜模擬為桿單元。在左端面將錨箱的節(jié)點自由度全部約束,模擬為固結,見圖4。
圖4 鋼錨箱有限元模型
經(jīng)過計算,得出其計算結果。根據(jù)位移云圖可以看出,鋼錨箱的腹板的上側比下側的位移大。根據(jù)圖5可以看出,M2板的應力不大,基本在100 MPa以內(nèi)。但頂板應力較大,在頂板的開孔靠近散索鞍側的應力較大,且頂板在橫隔板部位附近的外側應力也很大,均達到190 MPa。從圖6、圖7可以看出,腹板的下側應力較小,上側應力較大。靠近M1處應力較小,通過M2傳力端部應力較大。說明主纜的力通過M1大部分通過M2傳給腹板。到傳力端部應力累計起來較大。而且由于M2是向上傾斜,因此造成腹板上側應力較大,Von Mises達到140 MPa。底板應力較小。而且頂板開孔造成頂板處也應力較大。M1的應力除了大纜錨固點應力較大外,其余均較小。
圖5 鋼錨箱位移云圖
圖6 鋼錨箱Von Mises應力圖(俯視)
圖7 鋼錨箱Von Mises應力圖(仰視)
浦東運河橋采用鋼錨箱將大纜錨固在主梁上,其構造形式新穎簡潔。通過鋼錨箱及錨固大纜的板殼及桿單元的計算分析,得出了鋼錨箱各部位的應力及變形分布圖??梢圆榭锤鱾€細節(jié)部位的應力,從而得知該部位的受力大小。因此通過有限元仿真計算,可以較為真實的把握結構的受力狀況,使得心中有數(shù)。通過計算結果可以幫助設計和其他相關人員理解其傳力途徑,認識到各部位的受力大小,從而給設計、制造[8]、試驗[9]提供很好的指導。
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U448.25
A
1009-7716(2017)12-0044-03
10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.013
2017-10-16
黃智華(1981-),男,湖北浠水人,高級工程師,從事橋梁設計工作。