□文/王 沖 徐 揚(yáng) 姜 鋒

中承式鋼箱拱肋拱橋設(shè)計除了要對整體強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性進(jìn)行分析外，尚須對某些關(guān)鍵節(jié)點的設(shè)計格外關(guān)注，以了解結(jié)構(gòu)的局部受力特性，從而為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供詳實的理論依據(jù)。本文以寧波市一主跨為160 m的中承式鋼箱拱肋拱橋為工程背景，建立了精細(xì)化實體單元、板單元有限元模型[1～2]，分析其鋼主梁吊桿錨固區(qū)在吊桿力作用下的局部應(yīng)力和穩(wěn)定情況，其結(jié)果可為類似工程提供參考。

1 工程概況

寧波市象山縣大目灣新城樂漁路特大橋主橋為無風(fēng)撐中承式鋼箱拱肋拱橋，跨徑布置為30 m+160 m+30 m。橋梁橫斷面布置為3 m（人行道，遠(yuǎn)期電車道）+4.5 m（人行道）+7.5 m（車行道）+7.5 m（車行道）+4.5 m（人行道），橋面全寬為27 m。見圖1。

圖1 主橋

主拱橫橋向布置為兩片拱肋，拱肋布置于人行道（電車道）外側(cè)，形成斜橋布置方案。主拱向內(nèi)傾斜5°，兩片主拱間不設(shè)置風(fēng)撐。主拱拱肋采用矩形封閉鋼箱型拱肋并在主拱跨徑1/4點附近由1個封閉鋼箱分叉為2個封閉鋼箱，2個鋼箱拱肋之間設(shè)置鋼桁架進(jìn)行連接。主拱肋豎直方向矢高30 m，跨徑為176 m，矢跨比1/5.86，拱軸線為圓弧線。主拱水平力通過系桿進(jìn)行平衡[3～4]。

主梁采用單箱多室整體鋼箱梁斷面，主梁外側(cè)伸出懸臂橫梁用于錨固吊桿，主梁通過吊桿和拱肋連系。同時整個主梁共設(shè)置4處支點，分別位于3#墩位邊拱、3#墩位主梁與主拱相交處主拱牛腿、4#墩位邊拱、4#墩位主梁與主拱相交處主拱牛腿。橋梁中心線處梁高為2.0 m，鋼梁頂板設(shè)置2.0%的雙向橫坡，底板保持水平不設(shè)置坡度。鋼箱梁上寬27 m，箱梁兩側(cè)設(shè)置2.5 m寬懸臂翼緣，鋼箱梁下寬22 m。

2 模型

2.1 概況

吊桿是連接拱肋和梁體的重要構(gòu)件，是荷載由梁體傳遞到拱肋的主要路徑。吊桿順橋向間距6 m布置，橫橋向隨拱肋傾斜布置，與拱軸線處于同一平面內(nèi)。全橋吊桿共42組，每組吊桿由2吊桿組成，以保證結(jié)構(gòu)的安全性和易維護(hù)性，吊桿順橋向布置。

吊桿上端通過錨箱錨固在拱肋箱體內(nèi)的橫隔板兩側(cè)，錨箱由承剪板、承壓板，錨墊板和加勁板組成，承剪板、承壓板焊接在橫隔板上，為主傳力構(gòu)件。

吊桿下端錨固于橫梁底，腹板兩側(cè)，方便維護(hù)。吊桿橫梁布置在對應(yīng)吊桿處，間距6 m，全長38.2 m，其中橋面27 m，兩側(cè)懸挑出橋面各5.6 m。

采用大型有限元軟件ANSYS15.0，建立用于梁端錨固吊桿的懸臂橫梁和吊桿錨箱空間模型。選取實體單元（Solid45）用來模擬錨墊板，選取板單元（Shell63）用來模擬錨箱承剪板，承剪板加勁，索導(dǎo)管等[1]。模型共用節(jié)點8 065個，單元19 547個。

懸臂橫梁長度取5.6 m。吊桿橫梁懸挑部分為工字型截面，頂板和底板厚度為30 mm，寬度為800 mm，橫隔板厚度為20 mm，橫隔板上布置豎向加勁和水平加勁，加勁板厚度為12 mm。吊桿錨箱由承剪板、承剪板加勁、索導(dǎo)管、錨墊板等組成。承剪板厚16 mm，承剪板加勁厚12 mm，索導(dǎo)管壁厚4.5 mm，錨墊板厚60 mm。鋼板彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.3，重度為78.5 kN/m3。

2.2 模型邊界條件和外部荷載

模型的邊界條件為在懸臂橫梁端部約束全部三個平動自由度和三個轉(zhuǎn)動自由度；模型外部荷載的施加分為兩種工況。見圖2。

工況I：用來模擬兩個吊桿在最不利荷載組合作用下均承受700 kN大小的拉力（雙側(cè)對稱加載）的工況，施加方式為環(huán)面荷載，拉力的大小是由Midas/Civil2015梁單元模型在最不利荷載組合為恒+活+溫度+沉降+風(fēng)，情況下算出的吊桿最大拉力，方向垂直于錨墊板向上。

工況II：用來模擬換索或斷索工況，單個吊桿承受1 400 kN大小的拉力（單側(cè)加載），施加方式亦為環(huán)面荷載，拉力的大小也是由Midas/Civil2015梁單元模型在最不利荷載組合情況下算出的吊桿最大拉力，方向垂直于錨墊板向上。

圖2 模型邊界條件和環(huán)面荷載

3 結(jié)果分析

3.1 吊桿錨固區(qū)局部應(yīng)力

圖3-圖5中紅色包圍的灰色區(qū)域表示在吊桿拉力作用下，mises應(yīng)力超過200 MPa的范圍，其中錨箱承剪板最大mises應(yīng)力為371 MPa，承剪板加勁最大mises應(yīng)力為273 MPa，索導(dǎo)管最大mises應(yīng)力為447 MPa，但這些均為應(yīng)力集中所致，可以剔除掉。

圖3 模型承剪板mises應(yīng)力

圖4 模型承剪板加勁mises應(yīng)力

圖5 模型索導(dǎo)管mises應(yīng)力

由圖6和圖7可知，錨箱錨墊板最大mises應(yīng)力為223 MPa，橫隔板加勁最大mises應(yīng)力為124 MPa。

圖6 模型錨墊板mises應(yīng)力

圖7 模型橫隔板mises應(yīng)力

3.2 吊桿錨固區(qū)局部穩(wěn)定結(jié)果

對懸臂橫梁在最不利荷載組合 （恒+活+溫度+沉降+風(fēng)）下即在吊桿拉力700 kN的作用下，懸臂橫梁的局部穩(wěn)定性做特征值屈曲分析，得到理論屈曲強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲響應(yīng)時的結(jié)構(gòu)變形。由于未考慮初始缺陷以及非線形的影響，此結(jié)果是假定吊桿拉力嚴(yán)格按照垂直于錨墊板向上加載并且結(jié)構(gòu)無缺陷的前提下得到的。

懸臂橫梁前四階失穩(wěn)系數(shù)見表1，失穩(wěn)模態(tài)見圖8。

表1 前四階穩(wěn)定系數(shù)與失穩(wěn)模態(tài)

圖8 模型失穩(wěn)模態(tài)

4 結(jié)論

1）吊桿錨固區(qū)各鋼板的mises應(yīng)力除應(yīng)力集中情況外，在最不利荷載組合下均＜200 MPa，滿足規(guī)范要求[5]。

2）吊桿錨固區(qū)在最不利荷載組合下的局部穩(wěn)定安全系數(shù)為11.976＞4，滿足規(guī)范要求。

3）吊桿錨固區(qū)傳力順暢，設(shè)計合理、可靠，可為類似工程提供參考。