罩棚門式剛架鋼錨箱受力性能分析

喬建剛，劉志才，趙傳亮

（天津市市政工程設計研究院，天津市300051）

1 工程背景

天津京津塘高速公路機場收費站是北京進入天津的重要門戶，綜合考慮收費站罩棚功能及景觀效果要求，針對結構跨大梁薄的特點，收費站罩棚結構形式確定為：帶水平拉索的鋼箱截面拱形兩鉸門式剛架（見圖1）。橫橋向剛架共布置3榀，每榀剛架結構寬5 m（按景觀要求，剛架柱腿段橫向寬度逐漸縮減，從5 m線性變化到3 m），相鄰兩榀剛架之間間距4 m，采用9根橫梁將二者連接起來。該門式剛架跨度較大，兩柱腳中心距離為87.4 m。罩棚跨中結構頂面離地面15.7 m。跨中梁高1.05 m，高跨比僅為1/83.2。剛架截面形式為單箱雙室，角隅附近為了錨固拉索及加強梁柱交點剛度，增加兩道腹板，即角隅附近截面形式為單箱4室。為了平衡拱形門架的水平推力并改善結構的受力性能，每榀剛架設置了兩根水平拉索。拉索與剛架鋼箱之間的錨固采用鋼錨箱的形式。

圖1 收費站罩棚立面圖（單位：m）

2 鋼錨箱構造形式

鋼錨箱布置于水平拉索兩側鋼箱內，由錨墊板、承壓板、錨固板、加強板、橫向加勁板及縱向加勁板等板件組成（見圖2）。拉索通過錨具錨固在錨墊板上,錨墊板與承壓板之間通過磨光頂緊連接。承壓板和錨墊板均開有圓孔。錨固板與鋼箱腹板焊接,與加強板一起共同傳遞索力。此外在錨固板外側還設置有加勁肋板,增強錨固板的穩定性,減小其變形。

圖2 鋼錨箱立面圖

鋼錨箱式錨固形式構造復雜,受力集中,是控制設計的關鍵部位[1,2]，因此必須對拉索錨固區進行局部受力分析。設計時針對鋼錨箱的布置方式，提出了兩種布置方案：方案一，將兩個鋼錨箱通過錨固板分別焊接在鋼箱截面中心線處中腹板的兩側，如圖3（a）所示；方案二，將鋼錨箱通過錨固板焊接在相鄰兩道鋼箱中腹板之間，如圖3（b）所示。分別對兩種方案進行受力分析。

圖3 鋼錨箱布置圖

3 拉索錨固區有限元模型

本文采用ANSYS軟件中的殼單元分別對兩個方案拉索錨固區建立空間有限元模型（見圖4）。鋼錨箱材料選用Q345D結構用鋼,取彈性模量為2.1×105 MPa，泊松比為 0.3。

圖4 拉索錨固區有限元模型

邊界條件為模型底端和上端固結。索力以施加分布壓力來實現,加載位置為錨具螺母在錨墊板上的投影面,呈圓環狀。兩側錨箱的加載索力,取1.2倍的設計索力，為1 200 kN。

4 拉索錨固區有限元線彈性分析

考慮到施工過程中拉索張拉順序及后期換索等情況，分別對方案一和方案二拉索錨固區進行了以下兩個荷載工況的有限元線彈性分析[3]。工況一：單根拉索施加1.2倍設計索力，另外一根拉索不張拉；工況二：兩跟拉索均施加1.2倍設計索力。

4.1 方案一拉索錨固區板件應力和變形

方案一在工況一即只張拉單根拉索的情況下，鋼錨箱整體應力水平較低，錨下應力在70 MPa以下；承壓板與中腹板連接處以及錨固板與中腹板連接處端部局部應力集中，錨墊板與中腹板相接角隅處等效應力達到348 MPa，如圖5（a）所示，中腹板與錨箱連接角點處等效應力達到292 MPa，如圖6（a）所示。方案一在工況二下應力狀況良好，如圖5（b）、圖 6（b）所示。對比圖 6（a）、圖 6（b），可見工況一、二鋼錨箱傳遞到中腹板的傳力機制明顯不同：工況一下由于荷載的不平衡使得中腹板扭曲變形，基本靠與鋼錨箱連接處前端和末端傳遞受力，應力集中明顯；工況二下則傳力平順。

圖5 方案一鋼錨箱等效應力

方案一在工況一下板件變形極值2.57 mm，工況二下板件變形極值0.44 mm，各工況下變形均較小。工況一由于荷載對中腹板作用的不平衡，使中腹板局部扭曲，從而變形大于工況二兩根拉索均張拉的情況。

圖6 方案一中腹板等效應力

4.2 方案二拉索錨固區板件應力和變形

方案二在工況一即只張拉單根索的情況下，鋼錨箱整體應力水平較低，應力峰值出現在承壓板錨下位置附近，應力在87 MPa以下；承壓板與中腹板連接處有應力集中，但應力水平很低，小于29 MPa。在工況二下，鋼錨箱整體應力水平較低，應力峰值出現在承壓板錨下位置附近，應力在86.1 MPa以下；承壓板與中腹板連接處有應力集中，但應力水平很低，小于38 MPa。兩種工況下應力擴散都較快，大部分區域應力分布均勻（見圖7、圖8），錨固板及承壓板與中腹板連接處應力情況均良好。

方案二在工況一下板件變形極值0.25 mm，工況二下板件變形極值0.31 mm，各工況下變形均較小。

圖7 方案二鋼錨箱等效應力

圖8 方案二中腹板等效應力

5 對比結果及結論

本文通過對兩個方案分別在兩種工況下的有限元分析，得到以下結論：

（1）方案一在工況一即只張拉單根拉索的情況下，由于荷載對中腹板作用的不平衡，使得中腹板扭曲變形，拉索錨固區傳力機制發生變化，基本靠與鋼錨箱連接處前端和末端傳遞受力，應力集中明顯，接近甚至超過鋼材屈服強度，偏于不安全。

（2）方案二在工況一即只張拉單根拉索的情況下，鋼錨箱通過錨固板連接到兩片中腹板上，兩片中腹板共同受力，變形較小，未發生明顯扭曲，傳力平順。

（3）方案一、方案二在工況二荷載作用下應力情況均良好，變形較小，傳力平順。

通過以上分析，設計最終采用方案二鋼錨箱布置方式，即將鋼錨箱通過錨固板焊接在相鄰兩道鋼箱中腹板之間的布置方式，從而保證拉索錨固區在施工、維護及正常使用情況下均安全可靠。

目前，天津京津塘高速公路機場收費站新建罩棚已經順利竣工并投入使用。結構安全可靠，實景簡潔大氣，輕盈秀美，與效果圖吻合良好，獲得了廣泛好評。圖9為罩棚實景。

圖9 罩棚實景

[1]丁雪松，熊剛，謝斌.大跨度鋼箱梁斜拉橋索梁錨固結構的發展與應用[J].世界橋梁，2007(4):70-73.

[2]李小珍，蔡婧，強士中.大跨度鋼箱梁斜拉橋索梁錨固結構形式的比較[J].工程力學，2004,21(6):84-90.

[3]狄謹，周緒紅，游金蘭，等.鋼箱梁斜拉橋索塔錨固區的受力性能[J].中國公路學報，2007,20(4):48-52.