鋼—混疊合梁拱橋索梁錨固區(qū)合理應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)

李文龍 孫建淵

(同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海 200092)

1 概述

鋼—混疊合梁拱橋以其外形美觀、結(jié)構(gòu)合理而在設(shè)計中越來越多地被采用，其吊桿與主梁之間的索梁錨固區(qū)則是該類橋梁設(shè)計中的重點(diǎn)。索梁錨固區(qū)利用吊桿將梁自重荷載和其所承擔(dān)的外荷載傳到拱肋上。在巨大的集中荷載作用下，索梁錨固區(qū)的構(gòu)造形式和應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，橋梁設(shè)計時應(yīng)將其作為關(guān)鍵環(huán)節(jié)予以分析。

拱橋吊桿與主梁的連接與錨固形式包括耳板、錨拉板、錨管和錨箱四種［1］。錨箱式連接通過錨固塊以焊接或栓接的形式與主梁相連，并將吊桿錨固于錨固塊上。為確保吊桿索力合理傳遞到主梁上，保證索梁錨固區(qū)應(yīng)力狀態(tài)合乎規(guī)范規(guī)定，鋼錨箱的鋼板應(yīng)采用合理的板厚規(guī)格。以蘭州某鋼—混疊合梁拱橋為例，選擇整體計算情況中處于最不利狀況的索梁錨固區(qū)段，用ANSYS建立合適的有限元分析模型，將各鋼板的板厚作為參數(shù)，通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較計算，分析不同鋼板的板厚對錨固區(qū)合理應(yīng)力狀態(tài)的影響。

2 錨固區(qū)構(gòu)造與有限元分析模型

2.1 索梁錨固區(qū)

索梁錨固區(qū)采用鋼錨箱的形式，是拱橋中關(guān)鍵的受力結(jié)構(gòu)，同時把索力傳遞給主梁。鋼錨箱在吊桿方向利用焊縫將吊桿與鋼錨箱連接，將索力清晰地傳給主梁［2］。組成鋼錨箱的鋼板包括橫隔板、承壓板MJ1、錨固板MJ2和吊索導(dǎo)管(見圖1)。為了保證索梁錨固區(qū)的吊索索力合理傳遞到主梁上，鋼錨箱各組成板件應(yīng)采用合理板厚規(guī)格。本文主要研究各板件厚度對索梁錨固區(qū)合理應(yīng)力狀態(tài)的影響，并對下列六種情況進(jìn)行計算比較，見表1。

圖1 索梁錨固區(qū)鋼錨箱構(gòu)造圖

表1 用于分析的計算方案 mm

2.2 有限元分析模型

為探索索梁錨固區(qū)的應(yīng)力分布狀態(tài)，采用基于數(shù)值方法的有限元軟件，截取整體計算情況中處于最不利狀況的索梁錨固區(qū)段，并基于圣維南原理明確合適的區(qū)段分析長度，同時確保在計算采用的邊界條件下，鋼錨箱應(yīng)力狀態(tài)與實際情況接近。利用有限元分析鋼錨箱時，錨箱的計算長度有兩種方案可供選擇［3］:1)選擇處于鋼錨箱實際位置的區(qū)段，將遠(yuǎn)離其的一端全固結(jié)處理;2)結(jié)合圣維南原理所論述的原則，分析區(qū)域應(yīng)該考慮鋼錨箱臨近梁段的共同作用，并將計算區(qū)域兩側(cè)全固結(jié)。有限元分析應(yīng)當(dāng)最大限度地接近實際狀況，而方案②比較合理，因此，本文將利用方案②對索梁錨固區(qū)進(jìn)行計算分析。本文參考的橋梁在設(shè)計時，橫隔板間距取為4 m，將有限元分析模型長度取為8 m，并將梁段兩側(cè)全固結(jié)(如圖2所示)。

圖2 索梁錨固區(qū)有限元模型

利用大型通用有限元軟件ANSYS對鋼錨箱應(yīng)力進(jìn)行計算分析，并選用Shell63單元模擬鋼板。

3 結(jié)果分析

計算表明，索梁錨固區(qū)的應(yīng)力分布狀態(tài)合理，各組成板件的應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 方案①錨固區(qū)各板件應(yīng)力

各方案下索梁錨固區(qū)各構(gòu)件的應(yīng)力比較如圖4所示。

圖4 各方案下索梁錨固區(qū)應(yīng)力比較

通過計算分析，將各方案結(jié)果進(jìn)行比較，可以得到下述結(jié)論:

1)鋼錨箱整體性優(yōu)越，吊桿與主梁之間的索力傳遞路徑清晰明白，傳力效果較好。

2)六種分析方案下，鋼錨箱的應(yīng)力分布狀態(tài)整體較為接近。應(yīng)力最大值位于索導(dǎo)管、橫隔板和承壓板的交界點(diǎn)區(qū)域，數(shù)值計算方法中該點(diǎn)位置存在局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。方案②與方案①比較、方案③與方案①比較、方案④與方案①比較可發(fā)現(xiàn)，增加橫隔板厚度、增加承壓板厚度、增加索導(dǎo)管厚度對降低應(yīng)力最大值、改善應(yīng)力狀態(tài)均有利，但增加索導(dǎo)管厚度的方案效果最好，其次是增加承壓板厚度與橫隔板厚度;方案⑤和方案⑥的計算結(jié)果表明，同時增加組成板件的厚度，其對索梁錨固區(qū)應(yīng)力分布狀態(tài)的改善效果并沒有同時疊加。從而得出，增加索導(dǎo)管的厚度最利于索梁錨固區(qū)形成合理應(yīng)力狀態(tài)，同時增加橫隔板厚度與承壓板厚度也能繼續(xù)改善應(yīng)力分布，但并不具備明顯的疊加效果。所以，為保證錨固處的應(yīng)力狀態(tài)合理，設(shè)計時應(yīng)考慮首先增加索導(dǎo)管厚度，其次是承壓板，最后是橫隔板。

4 結(jié)語

索梁錨固區(qū)采用了鋼錨箱形式，雖然組成鋼板較多，但鋼錨箱整體性優(yōu)越，吊桿與主梁之間的索力傳遞路徑清晰明白，傳力效果較好。組成鋼錨箱的鋼板規(guī)格對索梁錨固區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)均有影響，但影響大小不一。從有限元計算結(jié)果比較來看:索導(dǎo)管的板厚規(guī)格對錨固區(qū)應(yīng)力狀態(tài)的影響最大，其次是承壓板和橫隔板板厚規(guī)格;鋼錨箱各板件板厚同時增加，對應(yīng)力狀態(tài)的影響效果并不會同時疊加。為保證索梁錨固區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)合理，同時使得設(shè)計經(jīng)濟(jì)可行，鋼錨箱各板件應(yīng)有先后有限度的采用合適的板厚規(guī)格。

［1］李小珍，蔡 婧，強(qiáng)士中.大跨度鋼箱梁斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)型式的比較研究［J］.土木工程學(xué)報，2001，37(3):73-79.

［2］常文潔，邱文亮，夏文來.斜跨鋼拱橋索梁錨固區(qū)主梁腹板加勁肋優(yōu)選［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2010，32(1):140-142.

［3］萬 臻，李 喬，毛學(xué)明.大跨度斜拉橋鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)空間有限元模型比較分析［J］.四川建筑科學(xué)研究，2006，32(1):26-30.