劉 峰 劉小紅

(武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 武漢 430050)

隨著正交異性鋼橋面技術(shù)的不斷成熟，大跨徑斜拉橋的主梁越來(lái)越多地采用流線形扁平鋼箱梁。斜拉橋巨大的索力正是通過(guò)斜拉索與鋼箱梁上特殊的錨固連接(索梁錨固區(qū))來(lái)進(jìn)行傳遞的，由于索梁錨固區(qū)板件眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫縱橫交錯(cuò)，而巨大的索力又需要在此有限的范圍內(nèi)擴(kuò)散到鋼箱梁上，這就導(dǎo)致了索梁錨固區(qū)域受力較為集中、應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜，其穩(wěn)定和疲勞問(wèn)題突出，往往成為控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵構(gòu)造[1-4]。因此，研究傳力途徑合理、索力傳遞順暢的索梁錨固結(jié)構(gòu)，有助于解決鋼箱梁斜拉橋索梁錨固區(qū)在長(zhǎng)期靜、動(dòng)載作用下的的疲勞開(kāi)裂及強(qiáng)度破壞問(wèn)題。

目前，我國(guó)斜拉橋中最常用的索梁錨固形式主要有以下4種：①錨箱式；②錨管式；③錨拉板式；④耳板式[5]。鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)由于傳力明確、力線流暢被廣泛應(yīng)用，相關(guān)學(xué)者針對(duì)斜拉橋索梁錨固區(qū)受力規(guī)律、疲勞性能展開(kāi)了大量的研究[6-7]。但是與中小跨度斜拉橋相比，大跨度斜拉橋由于恒載較重的原因，導(dǎo)致鋼錨箱的尺度及作用于鋼錨箱上的索力遠(yuǎn)超中小跨徑斜拉橋，掌握如此大的索力的傳遞路徑、擴(kuò)散過(guò)程、影響區(qū)域已成為設(shè)計(jì)大跨度鋼箱斜拉橋的首要任務(wù)。

本文以某大跨度鋼箱梁斜拉橋鋼錨箱為研究對(duì)象，通過(guò)建立鋼箱梁節(jié)段有限元模型，分析索力最大處的鋼錨箱受力規(guī)律、傳力機(jī)理。

1 鋼錨箱結(jié)構(gòu)研究

1.1 鋼錨箱結(jié)構(gòu)構(gòu)造

某大跨斜拉橋的鋼錨箱結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1，主要由錨箱頂板、錨箱底板(N4)、2塊與腹板相連的錨箱承壓板(N1)、錨箱封閉板、錨箱加勁板(N2)及設(shè)置在承壓板上的加勁肋組成。承壓板、錨箱底板通過(guò)3條焊縫與鋼箱梁腹板相連接，見(jiàn)圖2，索力通過(guò)這3條焊縫傳遞到鋼梁腹板上去，進(jìn)而擴(kuò)散到整個(gè)鋼梁上。

圖1 鋼錨箱結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 鋼錨箱與腹板相連的焊縫示意圖

1.2 有限元模型

為研究鋼箱梁鋼錨箱的應(yīng)力分布及傳力路徑，選取恒載+活載工況下索力最大的鋼錨箱為研究對(duì)象，建立有限元分析模型。因結(jié)構(gòu)、荷載關(guān)于橋梁中心線對(duì)稱(chēng)，為減小計(jì)算規(guī)模，建立一半鋼梁模型，鋼梁所有構(gòu)件均用殼單元模擬，約束左側(cè)端點(diǎn)豎向及縱向位移，約束右側(cè)豎向位移，最后，在鋼梁中心線所在的平面施加正對(duì)稱(chēng)約束。計(jì)算時(shí)，將整體模型中提取出來(lái)的恒載+活載下的局部模型所對(duì)應(yīng)節(jié)段的桿端力(軸力、剪力、彎矩)以集中力、彎矩的方式施加到局部模型的參考節(jié)點(diǎn)上，并將最大索力11 206 kN按照錨頭與錨墊板的實(shí)際接觸面積換算成均布荷載施加到接觸的圓環(huán)范圍內(nèi)。建立的有限元模型見(jiàn)圖3，整個(gè)模型共計(jì)2 218 433個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 243 318個(gè)單元。

圖3 結(jié)構(gòu)有限元模型

2 鋼錨箱傳力機(jī)理分析

鋼錨箱的重要傳力板件包括錨箱承壓板N1、N2，錨箱底板N4和鋼梁錨固區(qū)的腹板，一般錨箱承壓板由于受到錨墊板傳來(lái)的巨大剪力，應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著，為探究鋼錨箱的傳力機(jī)理必須對(duì)錨箱承壓板、錨箱墊板的應(yīng)力分布及其傳力模式進(jìn)行深入探究。

2.1 鋼錨箱承壓板

圖4給出錨箱承壓板N1、N2的Von Mises應(yīng)力分布情況。

圖4 鋼錨箱承壓板Von Mises應(yīng)力分布(單位：MPa)

由圖4可發(fā)現(xiàn)，N1、N2 2塊承壓板的受力模式及應(yīng)力數(shù)值相近，N1、N2 兩板均在與錨墊板N4的連接焊縫及焊縫1、2的終點(diǎn)處應(yīng)力等值線密布、應(yīng)力數(shù)值較大，出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。現(xiàn)以N2板為例進(jìn)行分析。圖5a)示出N2承壓板σx方向的正應(yīng)力，對(duì)比圖4b)與圖5a)可知，N2板與錨墊板的連接焊縫附近的Von Mises應(yīng)力的分布規(guī)律與σx方向的應(yīng)力分布相似，在N2板與錨墊板的連接焊縫處取得極大值，依焊縫2沿著X軸正方向應(yīng)力值逐漸減小，由此說(shuō)明，N2板與錨墊板的連接焊縫附近的高應(yīng)力區(qū)域是由錨墊板N3傳來(lái)的X方向的壓力造成的，圖5a)中，N2板與錨墊板的連接焊縫附近的高應(yīng)力區(qū)域關(guān)于斜拉索位置對(duì)稱(chēng)，應(yīng)力等值線基本呈半圓形分布，說(shuō)明索力通過(guò)錨墊板后經(jīng)焊縫2及焊縫3傳遞到錨箱承壓板上時(shí)，應(yīng)力逐漸擴(kuò)散，趨于均勻。

圖5 N2承壓板應(yīng)力

N2板在焊縫3及焊縫2的終點(diǎn)角點(diǎn)處的應(yīng)力雖均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，但是這兩者的成因稍有不同，圖5b)、c)給出N2承壓板的第一、三主應(yīng)力，對(duì)比圖5b)、c)可以看出，在焊縫3與鋼梁腹板接觸的附近區(qū)域，主拉應(yīng)力等值線密布且數(shù)值較大，而在焊縫2終點(diǎn)處的角點(diǎn)位置上無(wú)主拉應(yīng)力，該處主壓應(yīng)力數(shù)值反而較大。分析其成因，造成焊縫3附近主拉應(yīng)力數(shù)值較大的原因主要是由于索面向外傾斜，在焊縫3附近存在Y方向的向外拉扯的分力，錨墊板及承壓板N1、N2的剛度不足，導(dǎo)致焊縫3上發(fā)生向外的“撕扯”效應(yīng)，從而產(chǎn)生較大的主拉應(yīng)力。焊縫2終點(diǎn)角點(diǎn)處主壓應(yīng)力數(shù)值與Von Mises應(yīng)力數(shù)值及分布情況近似，可推測(cè)焊縫2終點(diǎn)處的應(yīng)力集中主要是由于N2板承擔(dān)了經(jīng)錨墊板傳來(lái)的壓力，而N2板的剛度不足，同時(shí)發(fā)生了沿Y軸的彎曲變形及沿X軸的縱向位移，該主壓應(yīng)力屬于彎曲壓應(yīng)力。

2.2 錨下墊板

圖6給出錨墊板的應(yīng)力分布，承壓板N1、N2及其加勁肋與錨墊板交界處和焊縫3附近應(yīng)力水平較高，等值線密布，究其原因，主要是因?yàn)殄^墊板上這幾道焊縫及其相鄰的節(jié)點(diǎn)在索力作用下節(jié)點(diǎn)位移受到限制，在垂直于錨墊板的壓力荷載下，錨墊板上焊縫節(jié)點(diǎn)在壓應(yīng)力與板的彎曲應(yīng)力的綜合效應(yīng)下出現(xiàn)了應(yīng)力集中，尤其是焊縫3處，由于鋼梁腹板強(qiáng)有力的約束作用。極大地限制了焊縫節(jié)點(diǎn)在索力方向的位移，導(dǎo)致焊縫3上Von Mises應(yīng)力出現(xiàn)極大值。

圖6 錨墊板Von Mises應(yīng)力分布(單位：MPa)

2.3 鋼梁腹板

圖7分別給出整個(gè)箱梁腹板及焊縫3附近的箱梁腹板的Von Mises應(yīng)力分布情況，焊縫1、2的應(yīng)力主要集中于焊縫的終點(diǎn)位置處，主要是由于索力經(jīng)錨墊板傳遞至承壓板1、2時(shí)，使承壓板1、2產(chǎn)生繞Y軸的彎曲變形和沿X方向的縱向變形，使得N1、N2板的尖點(diǎn)處在擠壓及彎曲應(yīng)力的綜合作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中。而焊縫3上的應(yīng)力集中主要是由于索力經(jīng)錨墊板傳遞到焊縫3時(shí)，其受到沿著X方向的壓力及繞Y軸的偏心彎矩My。焊縫3上側(cè)由于有2塊承壓板N1、N2的存在，整體協(xié)調(diào)變形的能力強(qiáng)，而下側(cè)只有小范圍的鋼梁腹板與錨墊板共同承擔(dān)焊縫3傳遞的壓力及偏心彎矩，此外，焊縫3下側(cè)由于更靠近鋼箱斜腹板，其對(duì)焊縫3下側(cè)的節(jié)點(diǎn)的位移有較強(qiáng)的約束作用，導(dǎo)致焊縫3下側(cè)的應(yīng)力集中現(xiàn)象較上側(cè)更為突出。

圖7 箱梁腹板應(yīng)力分布

3 結(jié)論

1) 基于通用有限元分析軟件，以某斜拉橋鋼錨箱為研究對(duì)象，建立了鋼梁節(jié)段有限元模型，得到了最大索力處鋼錨箱各板件的應(yīng)力分布規(guī)律。

2) 索力先通過(guò)錨墊板傳遞至焊縫3然后再傳遞至承壓板1、2，最后經(jīng)焊縫1、2傳遞至鋼箱梁腹板，然后擴(kuò)散至整個(gè)鋼梁斷面。

3) 索力的傳力途徑。斜拉索→錨墊板→承壓板N1、N2→鋼梁腹板→鋼梁斷面。

4) 承壓板端部尖點(diǎn)處及錨墊板與鋼梁腹板焊接的根部處應(yīng)力集中明顯，在設(shè)計(jì)中應(yīng)引起重視。