懸索橋柔性中央扣錨固系統受力分析

曹永睿，柴增鏵

(北京建達道橋咨詢有限公司，北京 100015)

懸索橋是以主纜受拉為主要承重構件的柔性纜索橋梁結構。在活載、制動力和風荷載的作用下，加勁梁與主纜之間縱橋向、橫橋向會產生相對位移，吊索出現傾斜和局部彎曲，特別在主跨跨中位置吊索最短，受其影響最大。分析表明，懸索橋跨中設置中央扣可有效地提高全橋剛度，減小加勁梁的縱向位移，增大整體的自振頻率，并可部分改善跨中位置吊索的彎折和疲勞問題［1］。索梁錨固結構是一個傳力復雜，局部應力大且應力集中效應明顯，易出現疲勞和強度破壞的區域［2］，必須采用空間有限元的方法對其進行局部受力分析，以獲得系統中各個板件的應力分布情況和規律。耳板式索梁錨固系統在鋼箱梁斜拉橋上已有大量應用，有限元仿真分析和模型試驗結果共同驗證了這種索梁錨固結構傳力的可靠性和構造的合理性［3-5］

本文詳細介紹了柔性中央扣系統的構造和設置方法，并基于大型通用有限元分析程序ANSYS對耳板式中央扣斜拉索、梁錨固系統進行了空間有限元分析，研究了該系統的傳力機理及應力分布情況，取得了一些有價值的結果，為今后在同類懸索橋上設置柔性中央扣時提供了有意義的參考。

1 工程背景

岳陽洞庭湖二橋主橋為主跨1 480 m的鋼桁加勁梁懸索橋，主纜分跨為(460+1 480+491)m，主纜矢跨比為1/10，主纜橫橋向間距為35.4 m，吊索順橋向間距為16.8 m。主橋總體立面如圖1所示。

圖1 主橋總體立面(單位:m)

主梁為考慮板桁共同作用的板桁結合鋼桁加勁梁。鋼桁梁由主桁架、主橫桁架、下平聯和鋼橋面系組成，主桁節點采用焊接整體節點板技術。主桁架的桁高為9 m，標準節間長為16.8 m，兩片主桁架左右弦桿中心間距與主纜間距相同均為35.4 m。主桁架為帶豎腹桿的華倫式結構，由上弦桿、下弦桿、豎腹桿和斜腹桿組成。主橫桁架采用單層桁架結構，由上橫梁、下橫梁、外側斜腹桿、豎腹桿和內側斜腹桿組成。下平聯采用K形體系。鋼橋面系采用正交異性橋面，由橋面板、U形加勁肋、縱向板肋、橋面橫梁、橋面橫肋和工字形縱梁組成，主橋橫斷面布置圖如圖2所示。

圖2 主梁橫斷面布置(單位:mm)

主纜采用預制平行鋼絲索股(PPWS)，小邊跨和主跨由175股、大邊跨由181股，每股由127根直徑為5.35 mm、公稱抗拉強度為1 860 MPa的高強度鍍鋅鋼絲組成。吊索分為兩類:一類是直徑68 mm、公稱抗拉強度1 870 MPa的鋼絲繩，結構形式為8×41WS+IWR;另一類是直徑88 mm、公稱抗拉強度1 960 MPa的鋼絲繩，結構形式為8×55SWS+IWR。吊索與索夾為騎跨式連接，與鋼桁梁為銷鉸式連接。

索塔采用門式框架塔，索塔單塔柱下設40根D280樁基礎。兩岸錨碇均為地連墻基礎重力式錨。起點側索塔處加勁梁設橫向抗風支座，終點側索塔及錨碇處設豎向支座和橫向抗風支座。

2 柔性中央扣設置方法及梁端錨固方式研究

中央扣自從1950年在Tacoma新橋上使用以來，發展形成了3種設置方式:①用剛性三角桁架將主纜與加勁梁聯結，使纜、梁在跨中處相對固定，即剛性中央扣;②在跨中加設1對或多對斜吊索來建立纜梁縱向約束，即柔性中央扣;③將主纜直接與加勁梁相聯結。壩陵河大橋在國內首次采用了柔性中央扣，矮寨大橋也采用了柔性中央扣。

本橋在每根主纜跨中設5個鋼絲繩柔性中央扣，對稱布置于跨中中間吊索兩側。柔性中央扣主要包括3部分:中央扣拉索系統、主纜中央扣索夾系統和加勁梁錨固系統。

中央扣拉索系統采用直徑88 mm、公稱抗拉強度1 960 MPa的鋼絲繩，結構形式為8×55SWS+IWR;索夾處為騎跨式連接，加勁梁處為承壓式熱鑄錨頭;錨頭由錨杯和螺母組成，錨杯內澆鑄鋅銅合金，使鋼絲繩與錨杯相連，調節螺母可以消除制造、安裝誤差，材料采用35CrMo合金鋼。

主纜中央扣索夾系統采用左右對合的結構形式，左、右兩半索夾用螺桿緊箍于主纜上，接縫處嵌填入橡膠防水條，索夾上另外加設兩個能套掛短斜索的由凸肋條形成的凹槽。中央扣索夾設計長度3.38 m，壁厚45 mm，材料為ZG20Mn的低合金鋼鑄件。索夾上下安裝25個高強螺栓，提供足夠的緊箍力，防止在縱向荷載作用下主纜和索夾間的相對滑移。

柔性中央扣斜拉索梁端錨固系統采用耳板式(銷鉸式)錨固系統，該方案中央扣構造如圖3和圖4所示。該錨固系統由上弦桿腹板向上擴展出的整體節點板形成的耳板和主桁架上弦桿腹板間的兩塊橫向加勁肋焊接而成。在錨固耳板上開有銷孔，在銷孔兩側設置了兩塊貼板對耳板銷孔處進行加強。

圖3 中央扣斜拉索構造

3 中央扣梁端錨固系統局部受力分析

圖4 梁端中央扣節點構造(單位:mm)

中央扣斜拉索索力通過下端的叉形吊耳傳遞給銷鉸連接件，銷鉸連接件又傳遞給錨固耳板，之后通過上弦桿腹板逐步將索力傳遞到整個主桁架結構。錨固系統中銷鉸連接傳力情況復雜，銷軸主要受剪、受彎以及承壓;耳板孔壁承壓，孔側、孔端截面受拉，切面上的拉應力和壓應力分布很不均勻。大部分區域處于雙向應力狀態，為了解錨固系統的應力分布必須對其進行空間有限元分析。總體計算時中央扣斜拉索的最大索力為1 250 kN，計算時以此索力為外荷載施加到模型上。

分析時選取跨中附近兩對中央扣交匯位置的鋼桁梁加勁梁段為研究對象。為了減小邊界條件對計算模型的影響，根據圣維南原理和加勁梁結構的對稱性，在沿橋縱向取16.8 m長的梁段為研究對象，即從中央扣中心線沿橋跨方向兩側鋼桁梁8.4 m一個節間。模型的兩端位于相鄰節間的吊索中心，不考慮模型端部吊索的影響。橫向取至橋面跨度一半處，豎向取整個鋼桁梁結構。考慮到所取的主梁節段足夠長，局部分析模型的邊界條件為:縱橋向模型兩端截面上所有節點固結;橫橋向在主梁節段模型的橫向橋面寬度一半處截面上施加對稱約束。

建模時將整個結構視為勻質彈性體，鋼桁梁及鋼錨箱材料選用Q345qD結構鋼，各向同性材料，彈性模量取為 2×105MPa，泊松比為 0.3，密度為7 850 kg/m3。鋼桁梁各弦桿和正交異性橋面板均用ANSYS程序中的4節點彈性殼Shell63單元進行模擬。考慮到耳板銷孔兩側焊有貼板進行加固，該貼板區域用8節點彈性厚殼單元shell93模擬。加載時假定索力通過銷軸均勻施加在耳板銷孔沿斜拉索方向的上部半圓環上。有限元模型共計50 471個節點、51 733個單元。

圖5 中央扣Mises應力(單位:MPa)

中央扣錨固耳板Mises應力分布如圖5所示。由圖5可以看出，在沿索力方向與銷軸接觸的孔壁附近出現了小范圍的應力集中，最大Mises應力為237.1 MPa。由于銷軸對孔壁的擠壓，形成巨大的局部壓力，因此耳板銷孔前半周的應力最大。遠離銷孔側的節點板上應力分布較均勻，應力擴散很快。應力數值均在130 MPa以下，說明耳板兩側貼板對銷孔起到了很好的加強和應力分散作用。耳板內兩塊加勁板應力數值并不大，說明加勁板并不是主要的傳力構件，僅起到在橫向保持節點板穩定的作用。計算結果表面，該錨固系統的應力分布情況能滿足設計要求。

4 結論

本文以在建的岳陽洞庭湖二橋主橋為例，研究了柔性中央扣的構造組成和錨固系統的傳力機理，并采用空間有限元方法建立了耳板式錨固系統的局部受力計算模型，分析了錨固區的應力分布和應力集中現象。根據以上分析可以得出如下結論:

耳板式錨固系統錨固區應力在耳板銷孔附近很小范圍內數值較大，在耳板銷孔兩側設置貼板對其進行加強后，銷孔外其余位置應力擴散很快，應力傳遞流暢。另外銷鉸接頭帶有自潤滑軸承，可減小斜拉索的彎折，改善斜拉索的工作條件。

在進行鋼桁梁懸索橋柔性中央扣索、梁錨固方式設計時，可優先考慮在梁端采取耳板式錨固系統。此種錨固系統構造簡單，后期檢修維護方便，更適合在索力不太大又受結構安裝空間限制的鋼桁梁懸索橋上使用。

［1］高劍，劉高，曾宇.貴州壩陵河鋼桁架懸索橋中央扣設計［C］//中國公路學會橋梁和結構工程分會2007年全國橋梁學術會議論文集.北京:人民交通出版社，2007:101-106.

［2］李小珍，蔡婧，強士中.大跨度鋼箱梁斜拉橋索梁錨固結構型式的比較研究［J］.土木工程學報，2001，37(3):73-79.

［3］劉慶寬，強士中，張強，等.斜拉橋耳板索梁錨固結構受力特性研究［J］.中國公路學報，2002，15(1):72-75.

［4］衛星，強士中.斜拉橋耳板式索梁錨固結構的空間分析［J］.中國鐵道科學，2004，25(5):67-71.

［5］朱勁松，肖汝誠，曹一山.杭州灣跨海大橋索梁錨固節點模型試驗研究［J］.土木工程學報，2007，40(1):49-53.