拱橋吊桿耳板式錨固構(gòu)造與應(yīng)力

李忠忠

0 引言

吊桿錨固區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)力集中，是控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位之一。在現(xiàn)代鋼拱橋中，吊桿與拱肋的錨固形式主要采用錨箱式，即將吊桿固定在拱肋箱體內(nèi)部。錨箱連接受力明確，但吊桿施工較為繁瑣，當(dāng)橋梁為異形結(jié)構(gòu)時(shí)，該問題尤為突出。嘉定平城路橫瀝河橋?yàn)榱私鉀Q異形結(jié)構(gòu)吊桿施工的難題，吊桿與拱肋的錨固形式采用耳板式，即將吊桿錨固于拱肋外部。

耳板式錨固結(jié)構(gòu)由吊桿錨頭、銷軸、錨固耳板等組成，傳力途徑為吊桿→銷軸→錨固耳板→拱肋腹板→拱肋，銷軸與耳板通過承壓傳力。本文概述橫瀝河橋耳板錨固構(gòu)造，并對(duì)耳板銷孔處接觸應(yīng)力進(jìn)行分析。

1 橫瀝河橋設(shè)計(jì)概況

主橋?yàn)橄鲁惺叫笨鐔伍摴皹颍傲悍蛛x，主拱固結(jié)于拱座，主梁及人行橋通過支座支承于主墩。主梁跨徑89 m，橋?qū)?5 m，拱梁之間設(shè)置吊桿聯(lián)系，主橋立面如圖1所示。

圖1 橫瀝河主橋立面布置圖（單位：m）

主拱拱軸線采用二次拋物線，跨徑76 m，矢高38 m。主拱采用箱形截面鋼拱，截面尺寸由拱腳向拱頂一次線性變化，拱腳截面尺寸為 3．2 m ×2．8 m，拱頂截面尺寸為 4．5 m ×1．5 m。

吊桿在主拱上錨固間距為2 m(拱軸線曲線長度)，在吊桿錨固處設(shè)置兩道橫隔板，間距600 mm，板厚20 mm，橫隔板與吊桿平行布置。

主拱設(shè)置錨拉板與吊桿錨具耳板通過銷子連接。錨拉板由兩塊不同厚度、不同寬度鋼板焊接形成，分別為耳板和錨板。耳板厚度及寬度與吊桿錨具型號(hào)匹配，錨板厚度根據(jù)受力決定，寬度為600 mm。錨板與主拱橫隔板焊接，主梁吊桿處錨板夾在兩塊橫隔板之間，形成工字形構(gòu)件。錨固立面及橫斷面如圖2，圖3所示。

圖2 拱肋錨固立面圖

圖3 拱肋錨固橫斷面圖

2 錨固構(gòu)造設(shè)計(jì)

吊桿采用建筑工程用熱鑄錨吊桿，鋼絲采用φ5 mm雙層鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，鋼絲強(qiáng)度等級(jí)為1 670 MPa。吊桿共采用4種型號(hào)的鋼絲編束根數(shù)，分別是 5-55，5-61，5-73，5-85。吊桿上端為固定端，采用RM-Ⅲ型錨具與主拱耳板連接，下端為張拉端，采用RMV型錨具與錨箱連接。

以5-85型號(hào)吊桿為例，拱肋上對(duì)應(yīng)耳板采用Q500D高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，耳板厚53 mm;錨板采用Q345qD鋼材，錨板厚30 mm。耳板外形按照1∶4漸變，并與錨板焊接。銷軸直徑61 mm，耳板開孔直徑61．5 mm。錨固構(gòu)造如圖4所示。

3 彈性力學(xué)理論計(jì)算結(jié)果

根據(jù)赫茲(H．Hertz)證明的理論，橢圓接觸面上最大壓應(yīng)力P0可按下式計(jì)算:

圖4 錨固構(gòu)造圖

其中，a，b分別為橢圓的長、短半軸，且有:

對(duì)于兩圓柱體接觸面上最大壓應(yīng)力的計(jì)算，實(shí)際上就是接觸面橢圓的長半軸a→∞，短半軸b為有限的特殊情況，表明接觸面變成一個(gè)寬度為2b的無限長條帶，此時(shí)由式(1)可推出如下公式:

對(duì)于均質(zhì)鋼材 E=E1=E2，γ1= γ2=0．3。

將R1取負(fù)值，即半徑R2圓柱體放置在半徑R1圓柱體內(nèi)的情況，則式(2)有:

其中，P為沿柱體軸線方向單位長度上的外壓力。

平城路橫瀝河橋耳板開孔直徑 D1=61．5 mm，厚度 t=53 mm，銷軸直徑D2=61 mm，設(shè)計(jì)索力F=950 kN，彈性模量E=2．06×105MPa，P=F/t=1．792 ×107N/m。將這些數(shù)據(jù)代入式(3)計(jì)算可得耳板最大壓應(yīng)力P0=414．7 MPa。

4 有限元計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)計(jì)算采用Midas/Civil 2010，模型采用板單元進(jìn)行模擬，荷載加載范圍為1/4圓周范圍，荷載分布按余弦曲線變化，模型加載如圖5所示。

在上述荷載作用下，耳板的Mises應(yīng)力如圖6所示。最大Mises應(yīng)力為451 MPa(圓弧接觸切點(diǎn))，這與理論計(jì)算結(jié)果比較接近。

圖5 模型加載示意圖（單位：kN/mm）

圖6 耳板Mises應(yīng)力（單位：MPa）

本工程有限元計(jì)算荷載加載模式根據(jù)JTJ 025-86公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范第1．2．5條條文說明:“緊密接觸的承壓應(yīng)力，以往采用軸向容許應(yīng)力的0．75倍，這是基于樞軸上下接觸面彎曲密貼的假定推導(dǎo)出來的。要達(dá)到完全密貼是不可能的，實(shí)際上只能在圓周1/4的范圍內(nèi)密合，如假定應(yīng)力按余弦曲線變化”。

5 結(jié)語

1)嘉定平城路橫瀝河橋耳板式錨固結(jié)構(gòu)中，耳板最大Mises應(yīng)力為451 MPa，承載能力滿足要求。

2)有限元計(jì)算和彈性力學(xué)計(jì)算結(jié)果比較接近，實(shí)際設(shè)計(jì)中可用該公式在前期設(shè)計(jì)中做粗略估算。

3)耳板式錨固結(jié)構(gòu)中，銷孔處局部應(yīng)力非常大，但應(yīng)力擴(kuò)散較快，隨著遠(yuǎn)離應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力趨于均勻并降至較低水平。實(shí)際設(shè)計(jì)中，耳板需采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，其余板件可采用一般鋼材。

［1］ 嚴(yán)國敏．現(xiàn)代斜拉橋［M］．成都:西南交通大學(xué)出版社，1996．

［2］ 陳偉慶．斜拉索耳板錨固結(jié)構(gòu)接觸應(yīng)力分析［J］．鐵道建筑技術(shù)，2003(6):13-14．

［3］ 朱 康．混凝土拱橋吊桿更換技術(shù)研究［J］．山西建筑，2010，36(8):301-302．