吳國強， 鄒敏勇， 易倫雄， 張州

（中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430056）

0 引言

索梁錨固結(jié)構(gòu)是斜拉橋主梁承受并傳遞斜拉索荷載的關(guān)鍵受力結(jié)構(gòu)［1］。我國大跨度公路斜拉橋主梁多為鋼箱梁，其錨固結(jié)構(gòu)以錨箱式和錨拉板式為主［2］；大跨度鐵路斜拉橋或公鐵兩用斜拉橋主梁多為鋼桁梁，其錨固結(jié)構(gòu)以錨固在上弦節(jié)點的錨箱式（如天興洲長江大橋、銅陵長江公鐵大橋等）［3-4］和雙幅錨拉板式（如安慶長江鐵路大橋、滬通長江大橋等）為主［5］。

新建商丘—合肥—杭州高速鐵路（簡稱商合杭高鐵）蕪湖長江公鐵大橋主橋為主跨588 m的公鐵兩用高低矮塔鋼桁梁斜拉橋［6］，主梁下層為高3.6 m的封閉鋼箱，2片主桁通過上下弦節(jié)點，與下層鋼箱及上層正交異性鋼橋面板連接，構(gòu)成下層箱桁組合、上層板桁組合的強箱弱桁結(jié)構(gòu)。受附近軍用機場飛行凈空限制，橋面以上有效塔高僅為常規(guī)斜拉橋的1/2。斜拉索在“主力+附加力”組合下最大單索索力達(dá)16 000 kN，是目前國內(nèi)外單索受力最大的斜拉索。為了盡可能利用建筑空間，將斜拉索錨點下移，以增大斜拉索水平傾角，并采用將斜拉索錨固于下層鋼箱內(nèi)的錨箱式并排拉索索梁錨固結(jié)構(gòu)。該類結(jié)構(gòu)通過多個關(guān)鍵板件的聯(lián)合工作與協(xié)同受力，將巨大的索力均勻可靠地分散傳遞至主梁。通過對其受力特點與傳力特性進行有限元分析，驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠性。

1 工程概況

蕪湖長江公鐵大橋是新建商合杭高鐵的關(guān)鍵性控制工程，大橋位于已建蕪湖長江大橋上游3.5 km，為商合杭高鐵、市域軌道交通與市政道路共4 線鐵路6 車道城市主干路共通道。蕪湖長江公鐵大橋橋式布置示意見圖1。主梁為2 片主桁的鋼桁梁，三角桁桁式，鋼梁全長1 234.6 m。上弦主桁中心距33.8 m，下弦主桁中心距38.0 m，主桁桁高15.0 m。鋼梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置示意見圖2。全橋在高塔與低塔兩側(cè)各布置21 對、17 對斜拉索，上下游每個梁端錨固位置各錨固2 根斜拉索。

圖1 蕪湖長江公鐵大橋橋式布置示意圖

圖2 鋼梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置示意圖

斜拉索梁錨固在主桁腹桿外側(cè)下層鋼箱內(nèi)，形成錨箱式并排拉索索梁錨固結(jié)構(gòu)［7］（見圖3）。該結(jié)構(gòu)在下層鋼箱2道縱腹板上沿斜拉索受力方向焊接2塊支撐鋼板，并在每根斜拉索兩側(cè)支撐板內(nèi)部各焊接2塊隔板，2塊支撐板外焊接支撐加勁板，錨箱頂板焊接在支撐板端部，錨箱底板焊接在支撐板尾部，由頂板、支撐板、底板焊接組成封閉式鋼錨箱。為避免斜拉索錨固局部應(yīng)力集中，在錨箱頂板每根斜拉索位置焊接加厚錨墊板。斜拉索通過開孔頂板進入由支撐板與內(nèi)隔板構(gòu)成的腔內(nèi)，通過開孔底板穿出，并最終通過錨固螺母錨固于錨墊板。錨箱各板件鋼材采用Q370qE。

相對于傳統(tǒng)的錨固上弦，桁外錨固將鋼桁梁斜拉橋錨點下移至下層橋面，有效增加了斜拉索水平傾角，提高了建筑高度受限條件下大跨度矮塔斜拉橋的斜拉索索力效率。

2 應(yīng)力分析

2.1 細(xì)部分析模型

選取斜拉索索力最大的GS21號斜拉索梁端鋼錨箱作為研究對象，按照圣維南原理，選擇14 m為計算模型長度，腹桿及兩端邊界條件選為固定，斜拉索通過面荷載施加于錨墊板，單個錨墊板位置施加索力16 000 kN［8-9］。

采用通用有限元軟件ANSYS，建立鋼錨箱錨固結(jié)構(gòu)局部分析計算模型（見圖4）。模型按板件實際厚度建立上下支撐板、底板、頂板、隔板、錨墊板及加勁肋等，錨箱位置放大示意見圖5。錨墊板采用SOLID45單元模擬，其他板件采用SHELL63 單元模擬。在計算分析中，重點考察上下支撐板、頂板、底板，以及通過焊縫與錨箱連接的箱梁縱腹板。

圖3 錨箱式并排拉索索梁錨固結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 鋼錨箱錨固結(jié)構(gòu)局部分析計算模型

2.2 計算結(jié)果

2．2．1 支撐板

根據(jù)錨箱支撐板等效應(yīng)力圖，查看錨箱上下支撐板的等效應(yīng)力計算結(jié)果（見圖6）。從計算結(jié)果看，錨箱頂、底板整體應(yīng)力水平在50～140 MPa，低于材料容許應(yīng)力；在錨箱底板與支撐板相交位置出現(xiàn)極小范圍的應(yīng)力集中，應(yīng)力集中值約240 MPa。

2．2．2 頂板與底板

根據(jù)錨箱頂板、底板等效應(yīng)力圖，查看錨箱頂板與底板的等效應(yīng)力計算結(jié)果（見圖7）。錨箱頂板整體應(yīng)力水平在40～100 MPa，在斜拉索穿過開孔位置出現(xiàn)一定區(qū)域的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力值約234 MPa；錨箱底板整體應(yīng)力水平在40～100 MPa，在錨墊板4 個角點出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力值約200 MPa。

圖5 錨箱位置放大示意圖

圖6 錨箱支撐板等效應(yīng)力圖

圖7 錨箱頂板、底板等效應(yīng)力圖

2．2．3 縱腹板

根據(jù)錨箱縱腹板等效應(yīng)力圖，查看錨箱下弦箱梁兩側(cè)縱腹板的等效應(yīng)力計算結(jié)果（見圖8）。內(nèi)側(cè)腹板應(yīng)力水平在40～120 MPa，在焊縫起止位置及板件焊接位置出現(xiàn)極小區(qū)域的應(yīng)力集中，應(yīng)力值約192 MPa；外側(cè)腹板應(yīng)力水平在30～100 MPa，在焊縫起止位置及板件焊接位置出現(xiàn)極小區(qū)域的應(yīng)力集中，應(yīng)力值約134 MPa。此外，內(nèi)側(cè)腹板應(yīng)力水平較外側(cè)縱腹板應(yīng)力水平高。

2.3 分析結(jié)果

蕪湖長江公鐵大橋錨箱式并排拉索錨固結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析結(jié)果表明：（1）錨箱構(gòu)件受力均勻、傳力勻順、安全可靠；（2）各受力板件等效應(yīng)力在30～140 MPa，低于材料容許應(yīng)力；（3）在板件交點、倒角、開孔及焊縫起止區(qū)等局部區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力值240 MPa，低于材料屈服應(yīng)力，加工制造中應(yīng)嚴(yán)格確保焊縫質(zhì)量。

圖8 錨箱縱腹板等效應(yīng)力圖

3 傳力特性

對于鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)而言，上下支撐板及頂、底板是錨箱的主要傳力構(gòu)件，它們與加勁板件共同組成錨箱結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系，進而通過各自與下弦鋼箱梁腹板間的焊縫實現(xiàn)斜拉索與鋼主梁之間的荷載傳遞［10-11］。錨箱位置焊縫較多，需要對錨箱各焊縫間傳力特性及應(yīng)力沿路徑分布進行分析研究［12-16］。

鋼錨箱上下支撐板與腹板間4條焊縫沿焊縫長度方向的等效應(yīng)力及剪應(yīng)力分布情況見圖9。圖中，橫坐標(biāo)x為焊縫距底板的距離；L1、L2分別為錨箱上下支撐板與腹板間焊縫；N為與內(nèi)側(cè)縱腹板焊縫，W為與外側(cè)縱腹板焊縫。其中，L1、L2 焊縫長2.40 m，從計算結(jié)果可知：

（1）L1、L2 內(nèi)外4 條焊縫等效應(yīng)力分布均為馬鞍形分布，高應(yīng)力區(qū)域集中在焊縫的兩端位置，尤其在靠近頂板位置應(yīng)力增大較快并出現(xiàn)應(yīng)力集中。

（2）鋼錨箱上下支撐板焊縫除在焊縫兩端存在高應(yīng)力區(qū)域且應(yīng)力變化較大外，低應(yīng)力區(qū)段應(yīng)力也存在波動，波動均出現(xiàn)在箱梁腹板加勁肋附近，表明箱梁局部剛度變化會導(dǎo)致焊縫應(yīng)力相應(yīng)變化。

（3）鋼錨箱上下支撐板4條焊縫應(yīng)力水平相當(dāng)，由于錨箱受內(nèi)側(cè)腹板約束較外側(cè)腹板約束更強，內(nèi)側(cè)焊縫應(yīng)力稍大于外側(cè)焊縫。

圖9 鋼錨箱上下支撐板與腹板間焊縫應(yīng)力

為定量研究錨箱結(jié)構(gòu)的傳力機理，根據(jù)各焊縫位置的剪應(yīng)力分布情況分別沿焊縫長度積分得到各焊縫分擔(dān)的剪力值及其分擔(dān)剪力占傳遞索力的比例，得到各主要焊縫承擔(dān)荷載比例（見表1），同時將焊縫極值應(yīng)力與焊縫上的平均應(yīng)力之比定義為應(yīng)力不均勻系數(shù)。

從表1可知：

（1）錨箱上下支撐板與內(nèi)外側(cè)縱腹板4條焊縫共承擔(dān)總荷載的96.3%，鋼錨箱頂?shù)装搴缚p是斜拉索荷載最主要的傳遞路徑；

表1 各主要焊縫承擔(dān)荷載比例

（2）鋼錨箱上下支撐板焊縫的應(yīng)力不均勻系數(shù)約1.2，下支撐板內(nèi)側(cè)焊縫最大達(dá)1.326，下支撐板外側(cè)焊縫最小達(dá)1.167；

（3）錨箱頂?shù)装迮c鋼梁腹板間焊縫傳遞的剪力占總荷載的比例較小，僅為3.7%，但其封板的應(yīng)力不均勻系數(shù)較高，最低2.680、最高4.279。

4 結(jié)論

商合杭高鐵蕪湖長江公鐵大橋主橋斜拉橋為大跨度高低矮塔鋼桁梁斜拉橋，其斜拉索在“主力+附加力”組合下，單根索力達(dá)16 000 kN。為了降低索錨點、提高斜拉索效率，并將斜拉索安全可靠地錨固在主梁上，采用設(shè)置在主桁腹桿外側(cè)的錨箱式并排拉索錨固結(jié)構(gòu)。通過細(xì)部分析模型，得出以下結(jié)論：

（1）各板件應(yīng)力集中程度較低且范圍較小，錨箱構(gòu)件受力均勻、傳力勻順、安全可靠；

（2）錨箱上下支撐板與內(nèi)外側(cè)縱腹板的4 條焊縫，共承擔(dān)總荷載的96.3%，鋼錨箱頂?shù)装搴缚p是斜拉索荷載最主要的傳遞路徑；

（3）錨箱與腹板間焊縫剪應(yīng)力呈馬鞍形分布，應(yīng)力集中系數(shù)為1.2～1.3，在設(shè)計中可按照此值進行鋼錨箱設(shè)計。