豆　飛，李　偉，范佐銀

（1.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710000；2.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

1　項目概況

青海省海東市樂都區(qū)大地灣村湟水河大橋工程位于樂都區(qū)大地灣村西緣，采用一跨130 m下承式提籃鋼箱拱疊合梁橋，橋梁全長141.0 m，橋?qū)?6 m，橋面中心梁高3.0 m，吊桿間距8.0 m，一字式橋臺，1.5 m鉆孔灌注樁。拱橋主梁為等截面鋼-混凝土疊合梁結(jié)構(gòu)，全高3 m，全寬36 m。為主縱梁（閉口邊箱梁）、中橫梁、端橫梁、小縱梁組成的雙主梁梁格體系，縱梁每8 m一個節(jié)段，每間隔4 m設(shè)置一道橫梁，每兩道橫梁之間設(shè)置兩道小縱梁。吊桿與主縱梁連接處采用鋼錨箱形式，鋼材材質(zhì)采用Q345qD。橋型總體布置和橋梁橫斷面如圖1和圖2所示。

圖1　橋型總體布置圖（單位：mm）

圖2　橋梁橫斷面圖（單位：mm）

2　錨箱構(gòu)造

全橋共設(shè)兩片梯形斷面主縱梁，中心距26.00 m，高約 2.50 m;頂板寬約 1.87 m，厚 24.00 mm;底板寬約2.72 m，厚20.00 mm;腹板厚16.00 mm。主縱梁每2.00 m設(shè)置一道橫隔板，分別與橫梁位置相對應(yīng)，除吊桿位置處對應(yīng)橫隔板厚為30.00 mm外，其余橫隔板厚度均為16.00 mm。鋼錨箱細(xì)部構(gòu)造見圖3，主要板件細(xì)部尺寸見表1。

3　傳力機理

吊桿索穿過承壓板和錨墊板孔，直接作用在錨墊板上，首先將吊桿力傳給主要受力桿件TM 1和TM 2上，通過兩條主要受力焊縫傳給橫隔板[1]，最后作用在主縱梁腹板上。鋼錨箱構(gòu)件受力簡潔明確，符合設(shè)計要求。

圖3　鋼錨箱細(xì)部構(gòu)造（單位：mm）

表1　主要板件細(xì)部尺寸

4　有限元模型的建立

4.1　有限元模型

根據(jù)圣維南原理，為了減小主縱梁梁段長度對吊桿錨固位置產(chǎn)生的影響，選取長10 m梁段（一般大于3倍梁高）作為研究對象。利用大型有限元程序Ansys進行計算分析，該有限元模型中主縱梁和鋼錨箱均采用板殼單元模擬，已考慮人孔加勁，未考慮過焊孔。計算模型拱劃分為45 702個單元，43 640個節(jié)點。鋼錨箱局部模型及網(wǎng)格劃分如圖4和圖5所示。

圖4　優(yōu)化前鋼錨箱殼單元展示

圖5　優(yōu)化前鋼錨箱網(wǎng)格劃分

鋼板采用Q345qD，密度 78.5 kN/m3，彈性模量2.10×108 kN/m2，泊松比 0.3。

4.2　荷載工況

根據(jù)全橋整體計算結(jié)果，邊吊桿承受拉力最大，故選取邊吊桿位置對應(yīng)的鋼錨箱構(gòu)造為研究對象[2]。其吊桿力如表2所示。

表2　荷載工況　kN

4.3　邊界條件

（1）在吊桿索力作用下，鋼錨箱承壓板和錨墊板之間屬于非線性接觸分析問題，但是兩者摩擦力較大，一般不容易產(chǎn)生滑動，并且在實際設(shè)計中將錨墊板與鋼錨箱承壓板焊接。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，采用等效板厚原理，將承壓板和錨墊板等效為一塊具有相同抗彎剛度的等厚板。吊桿力環(huán)形接觸面積為：

（2）根據(jù)圣維南原理，本模型所取主縱梁梁段長10 m，在距吊桿對應(yīng)橫隔板左右5 m截面上固端約束。

4.4　各工況下應(yīng)力結(jié)果

4.4.1工況一（正常工況）作用下

該橋吊桿采用雙吊桿形式，一方面考慮吊桿張拉空間需要，另一方面雙吊桿作為安全儲備之用。為詳細(xì)掌握吊桿處加勁板、承錨板和橫隔板應(yīng)力分布情況，對其進行有限元分析，各構(gòu)件應(yīng)力云圖如圖6～9所示。

圖6　正常工況下TM1加勁板應(yīng)力分布（單位：kPa）

圖8　正常工況下TM3承錨板應(yīng)力分布（單位：kPa）

由圖6～9可知，TM 1加勁板應(yīng)力沿橫隔板對稱分布，吊桿作用位置應(yīng)力平均為53.4 MPa，Von Mises應(yīng)力最大值為67.3 MPa；TM 2加勁板應(yīng)力分布與TM 1加勁板規(guī)律相同，吊桿作用位置應(yīng)力平均為 70.1 MPa，Von Mises應(yīng)力最大值為 89.4 MPa；TM 3承錨板在與橫隔板相交位置處出現(xiàn)應(yīng)力集中，Von Mises應(yīng)力值最大為96.4 MPa，才開孔位置周圍平均應(yīng)力約為75.5 MPa；在吊桿處橫隔板應(yīng)力分布圖中在加勁板TM 1和TM 2與橫隔板相交位置處的應(yīng)力較大，但最大值為59.6 MPa。由此可以得出，在雙吊桿正常使用工況下，該鋼錨箱各構(gòu)件的Von Mises應(yīng)力均滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64-2015）（以下簡稱為《規(guī)范》）要求。

圖9　正常工況下橫隔板應(yīng)力分布（單位：kPa）

4.4.2工況二（斷索工況）作用下

為了保證斷索工況下橋梁鋼錨箱能夠承受荷載，對主要受力構(gòu)件進行了有限元分析，根據(jù)各構(gòu)件應(yīng)力云分布情況判斷鋼錨箱設(shè)計是否合理。在斷索力作用下，各構(gòu)件應(yīng)力云圖如圖10～13所示。

圖10　斷索力作用下的TM1加勁板應(yīng)力分布（單位：kPa）

圖11　斷索力作用下的TM2加勁板應(yīng)力分布（單位：kPa）

由圖10～13可以看出，在斷索力作用下，加勁板TM 1和TM 2發(fā)生了傾斜，板左右應(yīng)力分布不對稱，且有效應(yīng)力值較雙吊桿形式均有增大，尤其是TM 1加勁板最大應(yīng)力達(dá)到了200～373 MPa，超出了《規(guī)范》設(shè)計強度要求；另外在TM 3承錨板開孔處出現(xiàn)的最大應(yīng)力為216.5 MPa；橫隔板平均應(yīng)力約為121 MPa，但加勁板與橫隔板相交位置處出現(xiàn)了嚴(yán)重應(yīng)力集中，遠(yuǎn)超過《規(guī)范》容許應(yīng)力要求。通過以上分析說明，該鋼錨箱在斷索情況下不滿足設(shè)計要求，橫隔板局部應(yīng)力過大。

圖12　斷索力作用下的TM3承錨板應(yīng)力分布（單位：kPa）

圖13　斷索力作用下的橫隔板應(yīng)力分布（單位：kPa）

4.5　鋼錨箱構(gòu)造優(yōu)化

為了保證鋼錨箱在斷索工況下滿足設(shè)計要求，采用3種加強措施來優(yōu)化鋼錨箱構(gòu)造。采用措施1、2后橫隔板的應(yīng)力分布情況如圖14、圖15所示。

圖14　采用措施1后橫隔板應(yīng)力分布（單位：kPa）

4.5.1 增加吊桿處橫隔板厚度（措施1）

橫隔板厚度由30 mm變?yōu)?0 mm時，由圖13和圖14對比可以看出，橫隔板平均應(yīng)力從121 MPa減小為79 MPa左右。在此措施下，橫隔板最大集中應(yīng)力雖有減小，但還是遠(yuǎn)超出《規(guī)范》要求。

圖15　采用措施2后橫隔板的應(yīng)力分布（單位：kPa）

圖16　鋼錨箱殼單元展示

圖17　鋼錨箱網(wǎng)格劃分

4.5.2調(diào)整人孔圈板厚度及尺寸（措施2）

通過調(diào)整人孔圈板厚度可以加強橫隔板抗彎剛度，當(dāng)圈板厚度由10 mm變?yōu)?0 mm時，對比圖13和圖15可以看出，采用該措施前后的應(yīng)力基本沒有變化，說明改變?nèi)丝兹Π搴穸葘M隔板抗彎剛度幾乎沒有貢獻(xiàn)。

4.5.3優(yōu)化橫隔板加勁尺寸（措施3）

在分析中沒有考慮橫隔板過焊孔影響。模型共分為54 730個單元，49 875個節(jié)點。錨固區(qū)局部單元如圖16，鋼錨箱網(wǎng)格劃分如圖17所示。鋼板采用Q345qD，其密度為78.5 kN/m3，彈性模量2.10×108 kN/m2，泊松比 0.3。

在橫隔板兩側(cè)設(shè)置加勁措施，加勁板TM 4尺寸為2 068 mm×300 mm×25 mm，橫隔板對稱加勁。各構(gòu)件應(yīng)力分布見圖18～21。

與鋼錨箱各構(gòu)件在斷索情況下的應(yīng)力結(jié)果比較后發(fā)現(xiàn)，橫隔板應(yīng)力變化幅度最大。加勁板與橫隔板連接交點區(qū)域應(yīng)力集中大幅減小，Von Mises應(yīng)力最大值為306 MPa，平均應(yīng)力分布從121 MPa降為35.6 MPa，有效地改變了吊桿處橫隔板應(yīng)力分布情況。加勁板TM 1、TM 2和承錨板應(yīng)力雖沒有較大變化，但是比橫隔板加勁前應(yīng)力分布均勻，整體變形受力能力強，能夠有效保證斷索力傳給橫隔板。

圖18　采用措施3后TM1加勁板的應(yīng)力分布（單位：kPa）

圖19　采用措施3后TM2加勁板的應(yīng)力分布（單位：kPa）

圖20　采用措施3后TM3承錨板的應(yīng)力分布（單位；kPa）

圖21　采用措施3后橫隔板的應(yīng)力分布（單位：kPa）

4.6　鋼錨箱主要受力板件各路徑應(yīng)力分布情況

在以往的鋼錨箱設(shè)計中，一般常定性判斷吊桿力通過受力焊縫以剪力形式傳遞到主縱梁橫隔板上，但是這不能準(zhǔn)確反映各板件傳力路徑[4-6]。為了能夠定量說明該鋼錨箱兩條主要受力焊縫1和焊縫2（見圖3）的應(yīng)力分布情況，將加勁板TM 1和TM 2對應(yīng)受力焊縫沿與橫隔板相交路徑的應(yīng)力分布情況示于圖22、圖23（說明：沿焊縫1長度定義為路徑A，沿焊縫2長度定義為路徑B）。

圖22　TM1板路徑A上應(yīng)力分布（單位：kPa）

圖23　TM2板路徑B上應(yīng)力分布

從圖22、圖23可以看出，在正常使用工況下，焊縫1和焊縫2剪應(yīng)力沿其長度方向呈“馬鞍形”分布[7]，在焊縫兩端出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，但是焊縫中間段應(yīng)力分布較平穩(wěn)，承受了大部分剪力。由此說明錨墊板的作用不是分擔(dān)吊桿力，而是將吊桿力傳給加勁板TM 1和TM 2。吊桿力在焊縫1和焊縫2的分配上與焊縫長度沒有明顯的正比關(guān)系，但根據(jù)圖3鋼錨箱細(xì)部構(gòu)造圖可以看到焊縫1比焊縫2短，所以焊縫1的平均剪應(yīng)力比焊縫2小。

5　結(jié)論

（1）采用雙吊桿形式可以增大橋梁安全儲備，但在正常使用工況和斷索工況下鋼錨箱應(yīng)力分布差異較大。斷索工況下會出現(xiàn)異常應(yīng)力集中現(xiàn)象，此時必須進行局部加強。

（2）對比3種加強措施后發(fā)現(xiàn)，采用橫隔板加勁方案效果較好，能夠有效改善吊桿處橫隔板應(yīng)力分布情況。根據(jù)計算結(jié)果，橫隔板在斷索工況下的平均分布應(yīng)力為35.6 MPa，Von Mises應(yīng)力最大值為306 MPa，屬于局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（3）加勁板TM 1和TM 2對應(yīng)的焊縫1和焊縫2剪應(yīng)力沿其長度方向呈“馬鞍形”分布，大部分吊桿力通過焊縫中間部位承受，是受力的關(guān)鍵部位，保證焊縫長度是設(shè)計中的關(guān)鍵。焊縫兩端剪應(yīng)力變化較大，出現(xiàn)應(yīng)力集中，需要控制應(yīng)力大小。

（4）鋼錨墊板的作用是將吊桿力傳遞給加勁板TM 1和TM 2，保證其局部承壓強度滿足設(shè)計要求即可。