杜鑫， 李杰*， 楊紀， 懷臣子， 馮冠杰， 張波

(1.鄭州大學 土木工程學院， 河南 鄭州 450001； 2.黃河勘測規(guī)劃設計有限公司)

吊桿錨固區(qū)是獨塔自錨式懸索橋中極其復雜和重要的部位，關系到整個橋梁的安全性，是懸索橋設計的關鍵問題之一。其作用是將主梁的荷載可靠地傳遞給吊桿。盧穎等介紹了斜拉橋常見的索梁錨固形式(錨拉板式結構、耳板式結構、錨管式結構和錨箱式結構等)并分析了錨拉板式錨固結構的局部應力，明確結構最大等效應力發(fā)生在鋼箱梁腹板與鋼錨箱承壓板相交處；高何杰等針對斜拉橋結構中索-梁錨固結構進行足尺疲勞模型試驗，研究了其傳力機理；莫山峰等研究了大跨度鋼拱橋索錨管式錨固區(qū)的受力特點和應力集中現(xiàn)象；歐陽青等指明了獨塔斜拉-自錨式懸索組合橋吊桿錨固區(qū)傳力途徑，并依據(jù)錨固區(qū)各構件應力和變形情況對錨固區(qū)構造進行優(yōu)化，提出對橫隔板增加橫向與縱向肋條的方案，效果顯著；葉錫鈞等通過對錨箱式索梁錨固區(qū)的局部應力分析，得出在錨箱下部區(qū)域的應力最大且存在面外位移，從此位置向四周應力逐漸減小，此處應力為控制應力；王少懷等對斜拉橋耳板式索梁錨固區(qū)進行了應力分析；胡正榮等通過建立空間實體單元有限元模型,對雙塔拱式斜拉橋索塔錨固區(qū)鋼錨箱結構的應力狀態(tài)和應力分布規(guī)律進行仿真分析；陸新征、周萌、劉俊卿、聶建國等提出了多尺度模型高效計算方法對結構進行受力分析?？梢钥闯觯旱鯒U錨固區(qū)的應力狀態(tài)、變形情況復雜，并常伴隨應力集中現(xiàn)象，因此應對其進行局部受力分析，以便進行局部設計優(yōu)化，確保錨固區(qū)結構安全、受力合理。

1 工程概況

某大橋跨徑布置為(50+40+190+110+40) m，其中主跨(190+110) m為獨塔鋼箱梁自錨式懸索體系，次邊跨和邊跨與主跨設計為連續(xù)體系，橋型布置如圖1所示。吊桿主梁錨固區(qū)構造如圖2所示，其結構包括錨管、錨墊板、加勁板、托架和橫梁腹板等。吊桿主梁錨固區(qū)構造形式是錨管(N55)焊接在托架腹板N14和N14a之間，錨墊板(N56)垂直焊接在錨管上并在錨管和托架頂(底)板焊接處做加勁處理安裝加勁板，再將整個錨管結構連接在縱梁腹板上。吊桿索力通過鋼錨箱的錨墊板以四邊支撐形式將壓應力分散傳遞到托架底板上，并通過錨管作為剪應力傳遞給托架腹板，最后通過外腹板(N3)和橫梁腹板(N12、N13)將吊桿索力傳遞到整個箱梁，錨墊板及腹板均設置加勁板，以利于錨固處的應力擴散避免受力集中。

圖1 橋型布置(單位：cm)

圖2 吊桿主梁錨固區(qū)構造

2 吊桿鋼箱錨固區(qū)計算模型

主梁鋼箱梁采用Q345qD材料：取彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比為0.3，質量密度為7.85 g/cm3；采用Von-Mises應力衡量拉索鋼箱梁錨固區(qū)應力狀態(tài)。依照GB/T 714-2015《橋梁用結構鋼》，板厚不大于50 mm時，Q345qD鋼材屈服強度為345 MPa。

采用通用有限元分析軟件，考慮到計算精度及模型規(guī)模，利用結構對稱承受對稱荷載的受力特點，建立吊桿主梁錨固區(qū)局部應力分析模型。模型取一半箱梁施加邊界條件，吊桿荷載依照設計給出的吊桿最大索力加載，加載位置在錨管的下錨墊板，加載方式采用節(jié)點集中力荷載，節(jié)點力施加在錨墊板的圓周節(jié)點上，方向為錨管軸向。模型沿橋梁縱向取10.5 m長度，以錨管位置為中心向兩側各取5.25 m，為減小位移邊界條件和荷載邊界條件的影響，假定邊界箱梁截面的約束條件完全固結施加約束自由度。板單元結構采用Shell181單元進行離散，單元厚度根據(jù)設計圖紙的結構鋼板厚度設置[鋼錨箱主要承壓構件錨墊板(N56)采用32 mm厚鋼板，錨管(N55)采用20 mm厚鋼管，錨固端加勁肋(N57、N58、N60)均采用12 mm厚鋼板，加勁肋(N59)采用10 mm厚鋼板，除托架腹板(N14a)加厚處理采用32 mm厚鋼板其余托架腹板、底板均采用12 mm厚鋼板]，離散后結構單元數(shù)量共97 389個，各板件間的連接均采用共節(jié)點連接。

3 吊桿鋼箱錨固區(qū)局部應力分析

3.1 鋼箱整體及錨管應力分析

圖3、4為鋼箱梁、錨管N55的Von Mises應力。

圖3 鋼箱梁Von Mises應力(單位：MPa)

圖4 錨管N55的Von Mises應力(單位：MPa)

由圖3可知：結構在最大吊桿力作用下，Von Mises應力為0～151.32 MPa，遠離錨管的鋼箱梁結構應力很小，大小為0～16.8 MPa，且主要是對箱梁外腹板的影響，其他結構Von Mises應力基本無影響(接近于零)，可見吊桿力作用下的應力影響范圍有限，僅限于錨固區(qū)局部范圍，計算選取的結構范圍是合理的，可以反映吊桿力作用下的局部受力問題。

由圖4可知：錨管受力分布并不均，在錨管上部約1/3的管段應力很小，小于17.54 MPa，錨管中間約1/3管段應力較小，其值為17.54～50.99 MPa，錨管只在下部1/4管段內(nèi)存在較大的應力值，并存在應力集中現(xiàn)象，最大應力為151.32 MPa?？梢姷鯒U錨固區(qū)整個錨管結構均參與結構受力，其下部1/4管段為主要承力部位，應對其進行優(yōu)化設計增加剛度，以保證錨管結構受力安全且相對均勻。

3.2 加勁板應力分析

加勁板N60的Von Mises應力如圖5(a)所示，加勁板的應力較小，最大應力為64.13 MPa。加勁板N58的Von Mises應力如圖5(b)所示，加勁板的應力較大，其值為66.94～120.62 MPa，該加勁板存在受力集中點，最大應力為120.62 MPa。加勁板N57的Von Mises應力如圖5(c)所示，加勁板的應力較大，其值為37.78～82.27 MPa，該加勁板存在受力集中點，最大應力為82.27 MPa。加勁板N59的Von Mises應力如圖5(d)所示，加勁板的應力較小，其值為0～48.5 MPa，該加勁板存在受力集中點，最大應力為48.50 MPa，應力水平低，其中與托架腹板N14a連接的加勁板較其他N59加勁板受力大。錨固區(qū)底端加勁板N58、N57與加勁板N60的Von Mises應力相比，加勁板N58、N57所受應力明顯較大。錨固區(qū)頂端加勁板N59也有相似的受力分布，即與托架腹板N14、N14a相連接的加勁板受力更大，其所受應力約為不與托架腹板相連的加勁板的2倍。對比加勁板N58與N57的Von Mises應力可知，與托架腹板N14a相連加勁板(N58)所受應力是與托架腹板N14相連加勁板(N57)的1.5倍。因此通過錨管傳遞來的吊桿力主要通過錨固區(qū)底端加勁板(N58、N57)傳遞給與主梁相連的托架腹板(N14a、N14)，靠近主梁側的托架腹板N14a是更主要的受力構件。

圖5 加勁板Von Mises應力(單位：MPa)

3.3 錨墊板與橫梁腹板應力分析

錨墊板N56的Von Mises應力如圖6所示，錨墊板的應力較小，最大應力為72.73 MPa。橫梁腹板N12、N13的Von Mises應力如圖7所示，橫梁腹板應力分布范圍較大，應力分布不均勻，應力范圍為0～106 MPa，應力集中位置位于箱梁外腹板N3、托架腹板N14a、托架底板N16和橫梁腹板結合點，該點存在應力集中，最大應力為106 MPa，應力在局部擴散后迅速減小，其他位置應力很小，接近于0。

圖6 錨墊板N56的Von Mises應力(單位：MPa)

圖7 橫梁腹板N12、N13的Von Mises應力(單位：MPa)

3.4 托架板應力分析

托架腹板N14a的Von Mises應力較大，是錨管受力傳遞到托架及箱梁的重要傳力構件，托架腹板的應力范圍為38.64～133.4 MPa，該腹板處于應力水平相對較高區(qū)域，最大應力為133.4 MPa。托架腹板N14、N15的Von Mises應力小，托架腹板的應力范圍為0～46.7 MPa，該腹板應力集中較小，應力最大值位于腹板與錨管連接的位置，其他位置受到的應力很小。托架底板N16的Von Mises應力分布范圍較大，應力極不均勻，應力范圍為0～156.54 MPa，應力集中位置位于箱梁外腹板N3、托架腹板N14a、托架底板N16和橫梁腹板的結合點，該點存在應力集中，最大應力為156.54 MPa，應力擴散后迅速減小，其他位置應力很小。托架底板N17的Von Mises應力很小，范圍為0～13.76 MPa。托架豎肋N20的Von Mises應力很小，范圍為0～0.67 MPa。

4 結論

(1) 吊桿力作用下結構的應力影響范圍有限，應力隨距錨固位置距離增加迅速擴散減??；為保證結構受力安全，應關注局部結構受力設計。

(2) 吊桿錨固結構在吊桿力作用下的主要傳力構件是：錨管下部1/4管段、加勁板N57、加勁板N58、托架腹板N14a、橫梁腹板。尤其是錨管受力極不均勻，錨管下部1/4管段所受最大應力約為錨管上部1/3管段的8.6倍，為錨管中間1/3管段的3倍。針對錨管受力特性，可對其進行結構優(yōu)化，增加錨管下部1/4管段的局部厚度或者對其進行局部內(nèi)、外加勁，減小錨管局部受力，增大結構安全性。

(3) 吊桿錨固結構在吊桿力作用下主要傳力途徑為：錨墊板→錨固結構底端加勁板、錨管→托架底板、托架腹板N14a→外腹板N3→橫梁腹板→整個主梁。

(4) 結構的最大Von Mises應力為156.54MPa，遠小于Q345qD屈服強度，局部應力分布基本均勻，應力水平安全。

(5) 結構受力存在應力集中位置，該位置位于托架腹板N14a、橫梁腹板、箱梁外腹板N3和托架底板的節(jié)點位置，應力值相對較大，影響結構的使用安全，應對錨固構造進行優(yōu)化，改善結構的應力分布使構件傳力更合理?？稍黾訖M梁腹板N12長度并增大其厚度，必要時應減小外腹板N3加勁肋條間距。通過增大錨固區(qū)段橫隔板剛度或者外腹板剛度，降低鋼錨箱及鋼錨梁的應力與變形，緩解鋼錨梁角點應力集中。另外鋼錨箱為全焊結構，多條焊縫為受力焊縫，應嚴格保證焊接質量。