斜拉橋索梁錨固區受力有限元分析及其優化設計

劉 雯 宋緒丁 趙 巖 趙 濤

（長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室 西安 710061）

斜索在鋼箱主梁上的錨固區是斜拉橋結構中一個極其重要的部位之一，巨大的索力由它傳遞給鋼箱主梁［1］。由于錨箱式索梁錨固結構傳力途徑明確、索力傳遞流暢而廣泛應用于大跨度鋼箱梁斜拉橋的建造。國內已建成的南京長江二橋、南京長江三橋、安慶長江大橋均采用錨箱式索梁錨固結構。由于斜拉橋索梁錨固區受力集中、結構復雜，對該傳力結構進行靜載強度的研究是十分必要的。本文依托工程實例，采用有限元分析法對錨固區進行應力的計算，研究了錨箱式錨固結構，這種錨固結構是在腹板外側焊接柱式鋼錨箱，拉索錨固在鋼錨箱的承壓板上。它的傳力途徑是將巨大的索力傳遞給承壓板，承壓板將力傳遞給腹板，通過腹板傳遞給部分橋面，應用這種錨固結構的橋梁越來越多。

1 工程概況

某公路大橋主橋為雙塔雙索面單側混合梁斜拉橋，橋跨布置為70m＋75m＋84m＋818m＋233．5m＋124．5m，主跨跨徑為818m，斜拉索為扇形空間雙面所，密索體系，錨固箱結構見圖1。錨固區主要由承壓板、加勁板以及錨墊板組成。這種錨固結構不僅空間結構復雜［2］，而且在斜拉索巨大的拉力作用下，錨固區域的應力分布規律也比較復雜，需要進行細致的分析。

由于鋼錨箱的位置變化，它與橋面的夾角也會有變化，那么導致作用在錨固區的作用力也會發生很大的變化。由于每個梁段的錨固箱模型尺寸不一樣，故以某梁段錨固箱模型為例進行分析。本梁段錨固區與橋面的的夾角為27．494°，錨固區的模型見圖1，各個板件厚度見表1。

圖1 鋼錨箱示意圖

表1 各板件厚度 mm

2 有限元模型的建立

計算模型選取錨固區域的鋼錨箱以及部分橋面板結構，錨固區域的模型包括錨固箱以及部分橋面，加勁板以及一個橫隔板。

鋼錨箱的錨墊板（N4）與承壓板（N3）為頂緊接觸，受力復雜，為有效模擬錨墊板（N4）與承壓板之間的作用，鋼錨箱承壓板與錨墊板緊密貼在一起，兩者為非線性接觸問題，即在錨墊板（N4）與承壓板（N3）之間建立接觸單元，通過錨墊板與承壓板之間的受力計算來判斷兩者的接觸面積，整個模型當中，除了錨墊板采用塊體單元，其他板件均采用板殼單元，不考慮錨管的作用，所以在建立模型時，沒有建立錨管有限元模型，建立的局部離散有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型

3 索力大小的確定及其結果分析

3．1 最不利索力的確定

近橋塔側的節段模型截面上所有節點固定［3］，采用UX，UY，UZ3個方向分別固定。由于索力直接作用于錨墊板，故在錨墊板上建立受力圓環，鋼箱梁及錨鋼材料選用Q345結構鋼，彈性模量為206GPa，泊松比為0．3，參考本橋梁設計的斜拉索錨具參數表，得知此處模型對應的受力最大的錨圓環外徑為405mm；參考本橋梁設計的斜拉索索力表，得知對應運營階段最大索力為5 660．6kN，經計算得到圓環受力的大小為135 707kN。

3．2 有限元計算結果分析

在承受最大索力5 660．6kN時，計算得到圓環受力的大小為135 707kN。求解有限元模型之后［4］，承壓板與主梁腹板連接區域von Miss應力最大值為158MPa，加勁板（N6）von Miss應力最大值為183MPa，加勁板（N6′）von Miss應力最大值為281MPa，應力分布見圖3。

圖3 加勁板N6′應力云圖

通過查看應力云圖3可知，加勁板（N6′）與外腹板鏈焊接區域應力最大，這是因為應力由承壓板傳遞給加勁板（N6′），同時加勁板（N6′）又將壓力傳遞給外腹板的緣故，此處尖角較為突出，故應力比較大。

建議：承壓板與腹板之間還有3個加勁板，通過查看應力云圖，可見加勁板最邊處應力最大，即與腹板接觸的焊縫出應力最大，應該對此處進行倒圓角，并且經常對此處進行查看，維修，加強對此處的關注。

4 優化方案

考慮到錨固區結構復雜，應力由承壓板傳遞給外腹板時，3個加勁板N6′的應力集中較為明顯，并且應力高達281MPa，這主要是因為加勁板N6′與錨墊板在焊接處尖角突出，設計不合理的緣故，原加勁板N6′尺寸示意圖見圖4。為了使加勁板在傳遞應力時減少尖角處的應力集中現象［5－6］。因此，設計了見圖5所示的優化方案。對加勁板尖角處進行倒角，在保證焊縫長度不變的情況下，對焊接尖角處均采取R＝17mm的倒角形式，修改后的尺寸示意圖見圖5，優化方案有限元計算結果見圖6。

圖4 原加勁板尺寸示意圖

圖5 改進后加勁板尺寸示意圖

圖6 改進后加勁板受力云圖

由上圖可以看出，優化設計后的N6′最大應力得到很大程度的減少，由原來的281MPa減少到209MPa，緩解了尖角處的局部應力集中現象，因此改進后方案可行。

5 結論

通過對索梁錨固區的有限元建模以及應力分析可知，鋼錨箱構件的最大應力均滿足要求；索梁錨固區的加勁板邊角處的von Miss應力值達到281MPa，是結構應力集中的區域。通過對加勁板的尺寸進行優化設計，可以很大程度上減少應力集中現象，可見優化方案可行，建議在實際的工程應用中采取該優化方案。

［1］ 陳明憲．我國大跨徑斜拉橋的建設與展望［R］．哈爾濱：哈爾濱工業大學，2002．

［2］ 黃 勇，程曉東，曾進忠．斜拉橋索梁錨固區受力情況的三維有限元分析［J］．西南交通大學報，2007（2）：10－18．

［3］ 侯文崎，葉梅新．結合梁斜拉橋錨拉板結構研究［J］．鋼結構，2002，17（2）：23－27．

［4］ 王嘉弟，趙廷衡．斜拉橋鋼箱梁索梁錨固區域應力應變分析［J］．橋梁建設，1997（4）：20－25．

［5］ 楊奇志．大跨連續梁橋加固設計［J］．公路交通科技，2011（2）：14－16．

［6］ 劉炎海，劉志鑫，劉鳳奎．三索面斜拉橋索塔錨固區應力及優化分析［J］．建筑科學，2010（11）：16－17．