張曉江

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063； 2.中鐵建大橋設(shè)計(jì)研究院,武漢 430063)

1 工程概況

潛江鐵路支線岳口漢江特大橋主橋?yàn)?32.7+50+93.7+260+38.2) m獨(dú)塔雙索面混合梁斜拉橋,墩梁采用半漂浮結(jié)構(gòu)體系。主橋橋塔類型為鉆石型,塔高為156.5 m；主梁采用鋼-混組合箱梁形式,其中鋼箱梁采用帶風(fēng)嘴的單箱三室截面,中間三室與混凝土主梁三室相對應(yīng),由頂板、底板、斜底板、中腹板、邊腹板及風(fēng)嘴圍封而成。根據(jù)受力和剛度要求,鋼箱梁在不同區(qū)段采用了不同板厚,共有6個(gè)分區(qū),10個(gè)梁段類型(鋼-混凝土結(jié)合段除外)。頂、底板厚度為16～28 mm,鋼箱梁設(shè)2道中腹板和2道邊腹板,中腹板厚度為20～28 mm,邊腹板厚度為30～40 mm；根據(jù)正交異性鋼橋面板疲勞試驗(yàn)結(jié)果,頂板均設(shè)置縱向V肋,加勁肋厚10 mm、間距600 mm。底板縱向均采用U肋,U肋板厚8 mm,平底板上U肋間距700 mm,斜底板上間距800 mm。鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長12 m,節(jié)段每隔3 m設(shè)置一道實(shí)腹橫隔板,共計(jì)24個(gè)鋼箱梁節(jié)段,最大節(jié)段重約1 341 kN。斜拉索與混凝土箱梁采用齒塊連接,與鋼箱梁采用錨拉板連接,錨拉板傾角與拉索保持一致,考慮拉索非線性垂度影響,縱向傾角最小為26.69°,最大為74.32°,橫向傾角從2.45°變化至3.68°。全橋三維模型如圖1所示。

圖1 岳口漢江特大橋三維模型

大跨度斜拉橋的索梁錨固部分是橋梁結(jié)構(gòu)受力設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,索梁錨固的安全度直接影響全橋設(shè)計(jì)使用周期[1-11]。目前,大跨度鋼箱梁斜拉橋中索梁錨固的形式主要有錨拉板式、錨箱式、錨管式與銷鉸式,其中錨拉板式在不同大跨度公路斜拉橋中均有應(yīng)用[12-15],潛江支線岳口漢江特大橋在鐵路梁上首次采用了錨拉板的索梁錨固形式,填補(bǔ)了錨拉板在鐵路橋型上應(yīng)用的空白。錨拉板式索梁錨固構(gòu)造簡單,傳力途徑明確,整個(gè)索梁錨固系統(tǒng)位于主梁頂板以上,構(gòu)件在后期使用過程中的檢查、維修、更換較為方便[16-21]。

2 錨拉板構(gòu)造研究

由于本橋最大活載比例在32%左右,采用剪壓承載式錨拉板結(jié)構(gòu)，使得索力向鋼套筒的傳遞更加均勻,同時(shí)分散了索力的傳遞跡線,結(jié)構(gòu)安全冗余度更高。加勁肋主要起到增強(qiáng)橫向剛度及增大受拉面積的作用,大部分的錨拉板均沿高度方向設(shè)置加勁肋?？紤]到本橋錨拉板由腹板伸出,為適應(yīng)橫向角度變化,必然有部分拉板承受面外荷載,同時(shí)由于施工偏差,拉板也可能存在部分面外力,為了分散索力,必須要在套筒上設(shè)置加勁肋,故本橋僅在套筒上設(shè)置加勁肋。

斜拉索橫向偏角變化范圍為2.794°～4.012°,錨拉板須采用一定措施來適應(yīng)角度變化,主要方法為在橋面以上一定高度設(shè)置雙面坡口,將腹板與錨拉板對接熔透焊接。此方法操作簡單,且不影響鋼箱梁的組裝,焊接位于橋面以上,操作空間充足,同時(shí)對接熔透焊縫與母材等強(qiáng),對結(jié)構(gòu)受力影響較小。錨拉板結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 錨拉板結(jié)構(gòu)示意

錨拉板與錨拉筒的側(cè)焊縫以及錨拉板與主梁頂板的連接焊縫容易出現(xiàn)應(yīng)力集中,其中前者的連接焊縫應(yīng)力集中較為嚴(yán)重,特別是在焊縫根部的圓弧過渡區(qū)。研究表明,加大錨拉板與套筒連接焊縫根部的圓弧半徑,可以有效改善錨拉板的應(yīng)力分析；若錨拉板焊接于主梁頂板,則錨固區(qū)主梁頂板需加厚,且主梁腹板應(yīng)增設(shè)加勁板。

錨拉板構(gòu)造上應(yīng)盡量確保連接可靠,力線傳遞流暢,避免出現(xiàn)過大的應(yīng)力集中現(xiàn)象；盡量減少拉索預(yù)留構(gòu)造對主梁的削弱及主肋的切斷,錨固點(diǎn)附近的構(gòu)造要防止局部破壞；外形盡量統(tǒng)一,總體景觀效應(yīng)盡量一致。

3 錨拉板設(shè)計(jì)關(guān)鍵分析

3.1 關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)

本橋錨拉板關(guān)鍵參數(shù)主要通過有限元模型計(jì)算確定,主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：套筒長度、承壓板厚度、拉板厚度、上盤厚度、肋板厚度,對應(yīng)設(shè)計(jì)初始數(shù)據(jù)分別為：1 054，30，40，25，30 mm。

3.1.1 套筒長度

套筒長度主要指套筒與錨拉板相焊接的部分長度,其長度范圍內(nèi)將拉索的部分索力通過兩側(cè)焊縫剪力傳遞給錨拉板,套筒長度直接影響其與拉板相接處剪應(yīng)力大小及分布,同時(shí)對整個(gè)索力分配產(chǎn)生一定影響。以套筒拉板相接處最大剪應(yīng)力、拉板最大拉應(yīng)力、拉板最大位移、承壓板平均等效應(yīng)力為指標(biāo)進(jìn)行建模分析,得出各指標(biāo)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 套筒長度各項(xiàng)分析指標(biāo)數(shù)據(jù)

由表1可知,套筒側(cè)焊縫索力占比從0.71上升至0.75時(shí),其套筒長度從1 100 mm增長至1 300 mm,變化較大。套筒長度的增加，一定程度上提升了套筒與上盤傳遞索力比值,同時(shí)降低了承壓板索力分擔(dān)比例,等效應(yīng)力均值隨之減小；隨著套筒長度的增加,拉板最大拉應(yīng)力逐漸變小,從138 MPa減小至108 MPa,整個(gè)錨拉板剛度變大,最大位移由0.657 mm減小到0.566 mm。套筒長度每增加200 mm,鋼構(gòu)件凈重增加約12.8 kN,各項(xiàng)指標(biāo)收益不明顯,故本文不推薦采用超出1 100 mm的套筒長度。若僅按受力情況布置長度,雖滿足受力最優(yōu)材料最省原則,但同時(shí)也會造成拉索出口高度不同,拉索高度參差不齊。因此，套筒實(shí)際長度的選取需要滿足受力、經(jīng)濟(jì)性要求、景觀效果等各類因素。

3.1.2 承壓板厚度

承壓板主要起到與套筒分擔(dān)索力的作用,同時(shí)使得結(jié)構(gòu)承載力保留一定富余。其構(gòu)造既需滿足受力需求,同時(shí)又需要保證承壓板與套筒之間的索力分擔(dān)比例處于合適大小?？紤]到錨拉板結(jié)構(gòu)最大位移位于承壓板邊緣位置,故選取最大位移、拉板最大拉應(yīng)力、承壓板最大等效應(yīng)力等指標(biāo),分析承壓板厚度變化對受力性能的影響,得出各指標(biāo)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 承壓板厚度各項(xiàng)分析指標(biāo)

由表2可知,相對于套筒長度,承壓板厚度變化對各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)的影響更為顯著,當(dāng)承壓板厚度取為20 mm時(shí),其僅分擔(dān)約6%索力,而從30 mm增厚至40 mm,承壓板分擔(dān)的索力大小僅從10%增大至11%,變化不大。承壓板從20 mm增厚到40 mm時(shí),最大拉應(yīng)力由134 MPa減小到117 MPa,最大位移由0.621 mm減小到0.576 mm。承壓板增加10 mm厚度,鋼構(gòu)件凈重增加約2.7 kN,相對于加長套筒更為經(jīng)濟(jì),但30 mm后加厚承壓板邊界收益小,性能提升不明顯。

3.1.3 拉板與上盤厚度

拉板厚度需滿足承載能力要求,對索力傳遞途徑基本沒有影響。本橋錨拉板由腹板伸出形成,為適應(yīng)橫向角度變化有相應(yīng)的角度彎折,考慮到有部分拉板需承受一定的面外荷載,同時(shí)由于施工偏差,拉板可能存在部分面外力,因此選取5%比例索力作為面外荷載來對拉板厚度進(jìn)行不同數(shù)據(jù)指標(biāo)分析,結(jié)果如表3所示。

表3 拉板厚度各項(xiàng)分析指標(biāo)

由表3可知,圓弧開孔處等效應(yīng)力與拉應(yīng)力均較大,應(yīng)力集中明顯,隨著板厚增加,應(yīng)力值逐漸減小。拉板與承壓板交接處等效應(yīng)力較大,拉應(yīng)力較小。40 mm厚拉板各最大應(yīng)力均在承載范圍內(nèi),且有一定富余。

上盤厚度的變化主要影響上盤與套筒側(cè)焊縫之間的索力分配,其構(gòu)造需要滿足受力要求,各數(shù)據(jù)指標(biāo)結(jié)果如表4所示。

表4 上盤厚度各項(xiàng)分析指標(biāo)

由表4可知,通過增厚上盤,各項(xiàng)指標(biāo)變化均較小。上盤構(gòu)造參數(shù)需要滿足受力要求,從上盤最大等效應(yīng)力可以看出，25 mm上盤厚度是較為合適的選擇。

3.1.4 肋板厚度

拉索套筒加勁肋主要作用是分擔(dān)部分索力至套筒頂板,同時(shí)增加錨拉板上部的橫向剛度,由于肋板尺寸影響軸向力傳遞,故以不同肋板厚度計(jì)算對應(yīng)的索力占比、等效應(yīng)力為指標(biāo)進(jìn)行分析,結(jié)果如表5所示。

由表5可知,肋板厚度的增加使其剛度增大,套筒側(cè)焊縫傳遞索力比例減小,從0.76減至0.7。肋板厚度的變化對錨拉板索力傳遞有一定影響。肋板主要作用是分擔(dān)索力和增加橫向剛度,其自身應(yīng)力應(yīng)當(dāng)處于合理范圍內(nèi),考慮到一定富余30 mm厚較為合適。

表5 肋板厚度各項(xiàng)分析指標(biāo)

3.2 結(jié)構(gòu)尺寸確定

根據(jù)3.1節(jié)分析結(jié)論確定各細(xì)節(jié)尺寸,開孔邊緣為錨拉板應(yīng)力集中區(qū)域,開孔底緣距箱梁頂緣距離按300 mm控制,開孔圓弧半徑采用150 mm,開孔寬度采用套筒外徑+300 mm；錨墊板厚度采用80 mm；為便于統(tǒng)一加工及進(jìn)料,拉索套筒壁厚采用30 mm,在最大索力下其計(jì)算最大壓應(yīng)力為108 MPa,最小應(yīng)力65 MPa；上盤厚度取為25 mm,內(nèi)徑與拉索套筒內(nèi)徑相同,外徑取為套筒加勁肋寬度+50 mm；拉索套筒加勁肋按角度均分為四片,高度采用200 mm,板厚30 mm；承壓板主要起擴(kuò)散索力的作用,其平面形式為菱形,其厚度采用30 mm；拉板上寬需承受由拉索套筒直接傳遞的拉力,經(jīng)過計(jì)算,取值為200 mm,拉板應(yīng)力最大值為65 MPa,滿足規(guī)范要求。

根據(jù)既有橋計(jì)算結(jié)論及前期有限元分析結(jié)果,拉板與拉索套筒圓弧相接的地方為應(yīng)力集中的關(guān)鍵點(diǎn),為控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素,為減少此處應(yīng)力集中現(xiàn)象,除采取較大的圓弧半徑外,同時(shí)參考美國規(guī)范對于頂板U肋開孔的要求,在圓弧與拉索套筒之間設(shè)置50 mm直線段。

4 錨拉板有限元計(jì)算

本橋鋼箱梁錨拉板型號根據(jù)拉索傾斜角度不同共計(jì)20種,編號為M01～M20,限于篇幅,本節(jié)僅展示最小傾角M20與最大傾角M01對應(yīng)的錨拉板有限元模型計(jì)算結(jié)果,同時(shí)取索力的5%水平向荷載加于錨墊板處,作為水平荷載安全儲備。

4.1 M20錨拉板計(jì)算

采用FEA三維有限元對M20錨拉板節(jié)段進(jìn)行建模計(jì)算分析,錨拉板節(jié)段對應(yīng)整體與局部實(shí)體網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 M20錨拉板實(shí)體網(wǎng)格模型

取最大索力工況與疲勞荷載工況下錨拉板結(jié)構(gòu)不同位置處應(yīng)力進(jìn)行分析,M20錨拉板區(qū)域應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 M20錨拉板最大索力工況下應(yīng)力云圖(單位：MPa)

拉板應(yīng)力最大區(qū)域?yàn)榕c套筒相接處位置,最大應(yīng)力值為203 MPa,但其局部影響范圍小于0.5%,其他連接區(qū)域應(yīng)力水平均較小,最大值為166 MPa。套筒應(yīng)力由錨墊板處從下至上逐漸減小,其最大值為225 MPa,滿足規(guī)范要求。

錨墊板最大局部應(yīng)力為168 MPa,其應(yīng)力水平較低,保證了索力的有效傳遞；錨拉板最大變形為2 mm,變形相對較小,由拉索角度變化引起的二次索力可忽略不計(jì)；錨拉板整體疲勞應(yīng)力較小,除套筒與錨墊板相接處應(yīng)力集中58 MPa外,其余區(qū)域數(shù)值均較小,其最大值30 MPa左右,滿足規(guī)范要求。

4.2 M01錨拉板計(jì)算

M01錨拉板節(jié)段對應(yīng)整體與局部實(shí)體網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5 M01錨拉板實(shí)體網(wǎng)格模型

最大索力工況錨拉板結(jié)構(gòu)局部區(qū)域應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 M01錨拉板最大索力工況下應(yīng)力云圖(單位：MPa)

拉板最大應(yīng)力值為122 MPa,套筒應(yīng)力最大值為120 MPa,滿足規(guī)范要求。錨墊板最大局部應(yīng)力為111 MPa,應(yīng)力水平較低,保證了索力的有效傳遞；錨拉板的最大變形為0.4 mm,變形相對較小；錨拉板節(jié)段整體疲勞應(yīng)力較小,套筒與錨墊板相接處應(yīng)力集中為27 MPa,滿足規(guī)范要求。

錨拉板結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中點(diǎn)主要位于錨墊板下方的圓弧過渡區(qū)、靠近錨拉板下部外邊緣處、腹板加勁肋結(jié)合處、錨拉板加勁肋區(qū)域等,其中錨墊板下方開孔小圓弧處應(yīng)力集中最為明顯。錨拉板其他部分應(yīng)力及疲勞應(yīng)力水平較低,均低于鋼材容許應(yīng)力,滿足規(guī)范要求。錨拉板受力不均勻性較大,其錨下應(yīng)力向套筒及拉板傳遞存在一定的擴(kuò)散范圍。實(shí)際制作過程中應(yīng)采用一定的工藝措施,嚴(yán)格保證加工和焊接質(zhì)量,盡量減小焊接殘余變形與應(yīng)力。

5 錨拉板技術(shù)創(chuàng)新

考慮到建造大跨度鐵路混合梁斜拉橋具有荷載重、疲勞活載大、動力性能及剛度要求高等特點(diǎn),若采用傳統(tǒng)錨拉板結(jié)構(gòu),可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部應(yīng)力和疲勞應(yīng)力幅過大的現(xiàn)象,且之前索梁錨拉板錨固形式在國內(nèi)鐵路斜拉橋上沒有應(yīng)用先例,基于“安全、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、美觀”的設(shè)計(jì)原則,本橋在大跨度單線鐵路斜拉橋中首次創(chuàng)新采用了剪壓承載式錨拉板結(jié)構(gòu)。通過在拉板和錨拉管之間增設(shè)承壓板,優(yōu)化其細(xì)節(jié)布置,實(shí)現(xiàn)了承壓、受剪多路徑傳力,改變了常規(guī)錨拉板焊縫純受剪的單一傳力方式。

本文著重從錨拉板受力構(gòu)造、不同構(gòu)件關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對比、結(jié)構(gòu)尺寸確定、有限元計(jì)算等多方面闡述了剪壓承載式錨拉板結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié),實(shí)現(xiàn)了索梁錨拉板形式在國內(nèi)大跨鐵路斜拉橋梁上的應(yīng)用突破。

6 結(jié)語

潛江支線岳口漢江特大橋在鐵路梁上首次采用了錨拉板的索梁錨固形式,填補(bǔ)了錨拉板在鐵路斜拉橋型上應(yīng)用的空白。通過對錨拉板構(gòu)造與關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算分析可知：錨拉板應(yīng)盡量確保力線傳遞流暢,盡量減少拉索預(yù)留構(gòu)造對主梁的削弱,總體景觀效應(yīng)盡量保持一致；拉板與拉筒連接焊縫圓弧過渡區(qū)應(yīng)力集中較為嚴(yán)重,加大錨拉板與套筒連接焊縫根部的圓弧半徑,可以有效改善錨拉板的應(yīng)力集中現(xiàn)象,本橋錨拉板過渡區(qū)采用150 mm的1/4圓弧形式,并在圓弧與拉索套筒之間設(shè)置50 mm直線段。

此外,為驗(yàn)證該橋錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,通過對結(jié)構(gòu)成橋索力及活載索力幅進(jìn)行分析,選取了M20號斜拉索處錨拉板進(jìn)行局部足尺靜載測試與疲勞性能試驗(yàn),靜載測試數(shù)據(jù)結(jié)果與有限元模型計(jì)算吻合較好,在疲勞破壞試驗(yàn)階段結(jié)束后對模型結(jié)構(gòu)焊縫進(jìn)行了銑車處理,均未發(fā)現(xiàn)疲勞裂縫,表明該橋索梁錨固結(jié)構(gòu)疲勞性能良好,具有一定的疲勞強(qiáng)度安全儲備,模型試驗(yàn)如圖7所示。

圖7 M20錨拉板模型試驗(yàn)

潛江支線岳口漢江特大橋已于2018年12月順利通車,一定程度上將錨拉板結(jié)構(gòu)在大跨度鐵路斜拉橋上的應(yīng)用推向了新的高度,該橋錨拉板有關(guān)專題研究細(xì)節(jié)可為類似大跨度鐵路橋梁設(shè)計(jì)提供借鑒。