中圖分類號：U445.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wCcst.2025.04.031

文章編號：1673-4874（2025）04-0109-06

0 引言

錨固結(jié)構(gòu)是橋梁工程中受力復(fù)雜的關(guān)鍵構(gòu)件，廣泛應(yīng)用于斜拉橋，其主要功能是將拉索索力傳遞至索塔，并進(jìn)一步傳遞至地基。該結(jié)構(gòu)具有荷載大、構(gòu)造復(fù)雜、傳力路徑多樣等特點，對橋梁的結(jié)構(gòu)安全和正常使用具有直接影響1。李小祥以主跨為 2×270 m的三塔斜拉橋黃茅海大橋為研究對象，通過數(shù)值計算方法研究了該橋臨時錨固體系的受力特性，提出超大跨徑斜拉橋臨時錨固力計算需考慮結(jié)構(gòu)幾何非線性影響的結(jié)論。季娟燕等3以某大跨度雙塔雙索面鋼－混組合梁斜拉橋為背景，采用有限元軟件建立全橋有限元模型及鋼錨箱局部有限元模型，研究斜拉索斷裂情況下索梁錨固結(jié)構(gòu)的應(yīng)力特性，并進(jìn)行了參數(shù)化分析。劉勇等4以長沙銅靖湘江大橋為背景，建立空間板殼元模型，探討了空間索面鋼桁梁斜拉橋中索桁錨固結(jié)構(gòu)的受力特性。孔令熙[5]研究了主橋為120m跨徑的大跨度簡支下承式鋼箱系桿拱組合體系拱橋（申江南路大治河橋）的吊桿與系梁錨固區(qū)的受力情況，采用混合有限元計算方法模擬了錨固區(qū)局部的應(yīng)力分布特性。此外，洪或等6通過數(shù)值模擬分析了錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)在設(shè)計索力作用下的應(yīng)力分布規(guī)律及荷載傳遞機(jī)理，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在板件開孔邊緣及板件交界處，并指出錨固結(jié)構(gòu)通過支承板與主梁腹板之間的4條連接焊縫以剪力形式傳遞92. 5% 的索力，其索力傳遞效率較傳統(tǒng)鋼錨箱顯著提高。

目前的研究主要聚焦于斜拉橋的錨固結(jié)構(gòu)，而鋼管拱橋多采用支架法或纜索吊裝法施工，通常無須特殊的錨固結(jié)構(gòu)，因此針對鋼管拱橋錨固結(jié)構(gòu)的研究相對較少。然而，錨固結(jié)構(gòu)因其構(gòu)造復(fù)雜、受力集中、局部應(yīng)力大的特點，成為整個橋梁中至關(guān)重要的傳力構(gòu)件。其關(guān)鍵作用在于將巨大的索力有效傳遞至主梁，是設(shè)計控制中的核心部位之一。為此，本文針對整體提升施工的鋼管拱，對其提升錨固結(jié)構(gòu)采用有限元法建立計算模型，分析其受力性能。

1依托工程概況

某橋主橋為跨徑260m的下承式鋼管混凝土系桿拱橋，采用“低位拼裝 + 中段拱肋門架法整體提升\"施工工藝，整體提升節(jié)段長202m。由于該工程采用整體提升施工，為避免結(jié)構(gòu)在提升過程中出現(xiàn)“弓箭\"效應(yīng)，設(shè)置了臨時系桿與提升索在相鄰位置共同作用。鑒于該區(qū)域受力條件較為復(fù)雜，為保證結(jié)構(gòu)安全，設(shè)計了錨固結(jié)構(gòu)。

1.1 錨固結(jié)構(gòu)構(gòu)成

該橋的錨固區(qū)受吊索和系桿的作用，其中受吊索直接作用的錨固區(qū)由三個不同構(gòu)件組成，分為上綴管、下綴管和連接板，綴管為 ?700mm×16mm 無縫鋼管，連接板為 4200mm×240mm×20mm 鋼板；受系桿直接作用的錨固區(qū)由內(nèi)填高強(qiáng)混凝土的綴管組成，綴管為?700mm×16m m無縫鋼管。弦管材料為Q345q，腹管和綴管材料為Q355c，吊索為1860鋼絞線，吊索和臨時系桿錨固區(qū)的其他鋼材為Q345q鋼材。錨固結(jié)構(gòu)由綴管、張拉墊塊和連接加強(qiáng)件組成。每束吊索為 22?15.2mm 的1860鋼絞線，單個塔柱上有兩個前后布置的吊點，前后距離為3m，每個吊點共2束吊索，全橋共8束吊索，每根鋼絞線受到的拉力為10.2t，每束吊索受到的拉力225t。每束臨時系桿為 24? 15.2mm的1860鋼絞線，單側(cè)拱肋系桿布置為上下兩層共2束，全橋共4束系桿，每根鋼絞線初拉力為10t，每束張拉力為240t。錨固結(jié)構(gòu)大樣見圖1，兩種錨固結(jié)構(gòu)的橫斷面見圖2。

圖1錨固結(jié)構(gòu)圖

圖2兩種錨固結(jié)構(gòu)橫斷面圖

1.2 錨固結(jié)構(gòu)受力工況

根據(jù)工程的特點，將錨固結(jié)構(gòu)的受力分為三種工況（見圖3）：

（1）僅受吊索的拉力。

（2）僅受臨時系桿的拉力。

（3）同時受吊索和臨時系桿的拉力。

圖3錨固結(jié)構(gòu)受力情況示意圖

2.2 邊界條件

該錨固結(jié)構(gòu)的有限元模型各部件之間采用的相互作用方式為：拱肋與綴管采用綁定方式連接，綴管與墊板一采用接觸方式連接，墊板一與墊板二采用綁定方式連接，連接板與綴管采用綁定方式連接。吊索和臨時系桿的加載點采用耦合的方式約束控制點的位移及轉(zhuǎn)角共6個自由度，拱肋的邊緣采用完全固定約束位移及轉(zhuǎn)角共6個自由度8。邊界條件如圖5所示。

2錨固結(jié)構(gòu)有限元模型

圖5錨固結(jié)構(gòu)邊界條件示意圖

為研究該鋼管拱中錨固結(jié)構(gòu)的受力特點，針對該結(jié)構(gòu)建立精細(xì)化有限元模型。

2.1模型單元

采用有限元軟件ABAQUS對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。該錨固結(jié)構(gòu)模型由上綴管、下綴管、連接板、墊板一和墊板二、拱肋和吊索、臨時系桿組成，各部件均采用實體單元建模，共98340個單元。有限元模型如圖4所示。

圖4錨固結(jié)構(gòu)有限元模型圖

2.3材料參數(shù)

在該有限元模型中，鋼材密度 ρ_s 取 7850kg/m³ ，鋼材及鋼絞線的彈性模量 E_s，s 取 2.07×10⁵MPa ，鋼材及鋼絞線泊松比 μ_s 取0.3，混凝土密度 ρ_c 取2 2500kg/m³ ，混凝土彈性模量 E_s，c 取 3.45×10⁴N/mm² ，混凝土泊松比μ_c 取0.2。

3有限元模型計算結(jié)果及分析

3.1計算結(jié)果

三種受力工況的錨固結(jié)構(gòu)有限元模型見圖 6 以鋼管拱的錨固結(jié)構(gòu)為研究對象，對各受力情況下的錨固結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況以及最大值進(jìn)行分析。

將吊索拉力添加到有限元模型中，得出受吊索拉力的錨固結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖（見圖7）。由圖7可知，在吊索拉力作用下，該結(jié)構(gòu)大部分區(qū)域的應(yīng)力較為均勻，且數(shù)值較小。組合應(yīng)力最大區(qū)域出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中間綴管的底部附近，最大應(yīng)力值為193.1 MPa ；剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)在鋼管拱與綴管連接處，最大剪應(yīng)力值為75.61 MPa， 0錨固結(jié)構(gòu)僅受臨時系桿拉力時，錨固結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況與僅受吊索力情況相似，如圖8所示。在系桿拉力作用下，該結(jié)構(gòu)大部分區(qū)域的應(yīng)力較為均勻，且數(shù)值較小。組合應(yīng)力最大區(qū)域出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中間綴管的底部附近，最大應(yīng)力值為183.6MP；剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)在鋼管拱與綴管連接處，最大剪應(yīng)力值為85.56 MPa。

圖6錨固結(jié)構(gòu)三種受力工況的有限元模型圖

圖7吊索拉力作用下吊索錨固區(qū)應(yīng)力云圖

圖8臨時系桿拉力作用下的錨固結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

將吊索拉力和臨時系桿拉力同時添加到有限元模型中，得出錨固結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖（見圖9）。由圖9可知，在吊索拉力和臨時系桿拉力同時作用的情況下，錨固結(jié)構(gòu)在拱肋和主管連接處以及綴管與墊板的連接處均出現(xiàn)不同程度的高應(yīng)力，最大組合應(yīng)力同樣出現(xiàn)在綴管與墊板的連接處，其值為 232MPa ，最大剪應(yīng)力為85.56 MPa，。

圖9吊索和臨時系桿拉力同時作用下的錨固結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

3.2 細(xì)部分析

由圖7至圖9可知，較大的應(yīng)力主要集中于墊板與綴管的連接處；僅受吊索的拉力、僅受臨時系桿的拉力與同時受吊索和臨時系桿的拉力所計算得到的應(yīng)力分布情況大致相同，但由于受力不同，導(dǎo)致三種錨固區(qū)的應(yīng)力大小存在區(qū)別，各受力情況的最大組合應(yīng)力分別為：193.1MPa、183.6MPa以及232MPa，結(jié)構(gòu)整體處于安全范圍之內(nèi)，最大組合應(yīng)力均出現(xiàn)在綴管與墊板一的連接處。為了清楚表示錨固結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力分布情況，分別選綴管、墊板一和拱肋進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.2.1僅受吊索拉力

在吊索拉力作用下，吊索錨固上綴管和墊板一的應(yīng)力云圖如圖10所示。從圖10（a）上綴管的有限元分析結(jié)果來看，整體應(yīng)力分布較為均勻，僅在上綴管與拱肋和墊板一連接處出現(xiàn)部分較高的應(yīng)力，上綴管的最大組合應(yīng)力值出現(xiàn)在綴管底部，其值為193. 1MPa_c 從圖10（b）墊板一的有限元分析結(jié)果來看，整體應(yīng)力分布較為均勻，大部分區(qū)域的應(yīng)力較小，最小應(yīng)力值為6.05 MPa ，而最大應(yīng)力出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中心，其值為88.31 MPa 。從綴管與墊板一的應(yīng)力云圖可以看出，二者交界處的應(yīng)力水平較高且分布較為復(fù)雜，存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響結(jié)構(gòu)的受力性能。應(yīng)力集中主要是由于與吊索連接處的結(jié)構(gòu)幾何形狀突變，以及該區(qū)域承受較大的局部載荷所致。為減小應(yīng)力集中并確保結(jié)構(gòu)的安全性，可在墊板一下面增設(shè)墊板二，作為加厚結(jié)構(gòu)，有效分散應(yīng)力，降低局部應(yīng)力集中程度9]。

圖10吊索拉力作用下的錨固結(jié)構(gòu)綴管和墊板一的組合應(yīng)力云圖

圖11為吊索拉力作用下拱肋上弦桿的組合應(yīng)力云圖。從圖11可以看出，拱肋上弦桿主體部分應(yīng)力分布較為均勻，整體結(jié)構(gòu)大部分區(qū)域處于安全狀態(tài)。然而，在拱肋上弦桿與綴管連接處存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大組合應(yīng)力達(dá)到78.07 MPa 。盡管如此，該應(yīng)力值未超過材料的屈服強(qiáng)度，說明拱肋及錨固結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。

圖11吊索拉力作用下拱肋上弦桿組合應(yīng)力云圖

3.2.2僅受臨時系桿拉力

在臨時系桿拉力作用下，系桿錨固下綴管和墊板一的應(yīng)力云圖如圖12所示。通過分析圖12（a）下綴管的應(yīng)力云圖可知，綴管的最大組合應(yīng)力仍出現(xiàn)在綴管與系桿的交接處，但與僅受吊索拉力時相比，最大應(yīng)力值有所降低，為183.6 MPa 。從圖12（b）墊板一的有限元分析結(jié)果來看，應(yīng)力較大的區(qū)域主要分布在墊板一的中部較薄位置，最大組合應(yīng)力出現(xiàn)在墊板一與臨時系桿的連接處，其值為91.94 MPa ，較僅受吊索拉力時有所增加。此外，墊板一的邊緣也出現(xiàn)了局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要是由于邊緣鋒利所致。

圖12臨時系桿拉力作用下的錨固結(jié)構(gòu)下綴管和墊板一組合應(yīng)力云圖

圖13為臨時系桿拉力作用下拱肋下弦桿的組合應(yīng)力云圖。由圖13可知，兩個拱肋下弦桿的受力分布具有對稱性，符合結(jié)構(gòu)對稱條件下加載的預(yù)期。拱肋下弦桿的最大組合應(yīng)力為45.98 MPa ，相較于僅承受吊索拉力時有所降低。

圖13臨時系桿拉力作用下的錨固結(jié)構(gòu)拱肋下弦桿組合應(yīng)力云圖

3.2.3同時受吊索和臨時系桿的拉力

由整體模型計算分析可知，錨固結(jié)構(gòu)同時受吊索力和臨時系桿的拉力時，錨固結(jié)構(gòu)受力最不利。取錨固結(jié)構(gòu)的上下綴管、墊板一和拱肋上下弦桿分別進(jìn)行分析，詳見圖14、圖15、圖16。

由圖14可知，在最不利受力情況下，錨固結(jié)構(gòu)的上綴管最大組合應(yīng)力為232 MPa ，較其單獨受力時增加了20. 15% ；下綴管的最大組合應(yīng)力為 183.4MPa ，與僅受臨時系桿拉力時接近。上下綴管的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在綴管與吊索、系桿的交界處，且應(yīng)力分布近似對稱，局部區(qū)域在與吊索和系桿連接處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

由圖15可知，在最不利受力情況下，吊索錨固上綴管墊板一的最大組合應(yīng)力為88.08 MPa ，系桿錨固綴管墊板一的最大組合應(yīng)力為91.84 MPa ，二者的最大組合應(yīng)力與其單獨受力時基本相近。與僅受吊索拉力時不同，在最不利受力條件下，吊索錨固上綴管墊板一的曲面四角也出現(xiàn)了較大的應(yīng)力，存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。此外，應(yīng)力分布規(guī)律與前兩種情況相似，最大組合應(yīng)力均出現(xiàn)在墊板一的曲面中心位置。

由圖16可知，在最不利受力情況下，拱肋上下弦桿的應(yīng)力分布呈對稱性，最大應(yīng)力位置均位于弦桿的內(nèi)側(cè)邊緣。拱肋上弦桿的最大組合應(yīng)力為73. 92MPa ，下弦桿的最大組合應(yīng)力為46.52MPa。其中，上弦桿的最大應(yīng)力值較大，表明受力情況更為不利，且應(yīng)力集中區(qū)域分布范圍較廣；下弦桿的最大應(yīng)力較小，整體受力較輕，但局部應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯。兩者的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)邊緣接觸區(qū)域，表明這些區(qū)域在受力狀態(tài)下容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。針對這一現(xiàn)象，可通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、增加過渡圓角或局部加強(qiáng)等措施，降低應(yīng)力集中風(fēng)險，提升結(jié)構(gòu)的承載能力。

圖15吊索和臨時系桿拉力同時作用下的錨固結(jié)構(gòu)綴管墊板一組合應(yīng)力云圖

圖14吊索和臨時系桿的拉力同時作用下錨固結(jié)構(gòu)綴管組合應(yīng)力云圖

圖16吊索和臨時系桿拉力同時作用下的拱肋弦桿組合應(yīng)力云圖

4結(jié)語

本文以某202m鋼管拱提升段為工程依托，針對其錨固結(jié)構(gòu)，建立有限元模型，分析該錨固結(jié)構(gòu)在三種受力工況下的受力特點，得出以下結(jié)論：

（1）各構(gòu)件的強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。（2）錨固結(jié)構(gòu)的最大組合應(yīng)力值均出現(xiàn)在綴管底部，此處為上綴管與墊板一的連接處，因綴管挖孔后邊緣不夠平滑，使二者連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中。（3）墊板一的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在墊板一的曲面中心處，此處為吊索與墊板的連接處，由于吊索橫截面積較小，且受力較大，導(dǎo)致墊板在此處出現(xiàn)應(yīng)力集中。（4）拱肋上弦桿的最大組合應(yīng)力均出現(xiàn)在弦桿內(nèi)側(cè)，且應(yīng)力對稱分布。為保證錨固結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，提出以下建議：（1）調(diào)整錨固結(jié)構(gòu)的幾何形狀，優(yōu)化曲面過渡，減少局部應(yīng)力集中。（2）在高應(yīng)力區(qū)域增加局部剛度或加厚結(jié)構(gòu)。（3）優(yōu)化載荷分布方式，進(jìn)一步均勻應(yīng)力分布。

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收稿日期：2025-01-07