斜拉橋耳板式索梁錨固區應力分析

王少懷，向中富，謝秉敏，趙 軍

(重慶交通大學土木建筑學院，重慶400074)

斜拉橋因其受力性能好、跨越能力大、施工方便、造型優美等特點受到橋梁工作者的青睞［1］，是一種由承壓的塔、受拉的索和承彎的梁組合起來的柔性結構體系。斜拉橋索梁錨固區是一個局部應力大、傳力途徑復雜的構造，它要將從斜拉索傳遞來的巨大索力分散到主梁上，耳板由于直接承受巨大拉力，應力集中現象明顯，是斜拉橋設計的關鍵部位［2］。大跨徑斜拉橋索梁錨固型式主要有以下幾種類型:錨箱式、耳板式(銷鉸式)、錨管式和錨拉板式連接［3］。粉房灣斜拉橋采用的是耳板式錨固結構體系，斜拉索通過銷鉸連接件與耳板連接，傳力途徑為:斜拉索→銷軸連接件→錨固耳板→邊縱梁腹板→粉房灣鋼桁主梁［4］，邱建英和朱勁松，等［4-5］曾分別對舟山桃夭門大橋和杭州灣跨海大橋［6］的耳板結構形式做過分析研究，與上述兩座橋梁錨固區結構不同的是粉房灣大橋每個索面設置了兩根斜拉索，對于這種雙耳板設計構造形式的索梁錨固區研究分析較少，相關設計理論及經驗相對不足。因此，很有必要對索梁錨固結構進行分析，確定耳板上應力分布規律［7］，研究耳板式錨固結構的傳力路徑，評價粉房灣大橋索梁錨固區承載能力，為粉房灣大橋錨固結構的設計提供參考依據。

1 重慶粉房灣斜拉橋設計概況

粉房灣長江大橋(圖1)是雙塔雙索面斜拉橋，橋跨布置 60.5 m+156 m+464 m+156 m+60.5 m五跨連續鋼桁架梁斜拉橋。

圖1 粉房灣大橋立面(單位:cm)Fig.1 Elevation of Fenfanwan Bridge

大橋為公軌兩用橋，考慮軌道交通運行的連續性，斜拉索應該具有不中斷交通的可更換性，所以本橋每個索面設置了兩根斜拉索，即主梁同一橫斷面有4根斜拉索。斜拉索縱向標準間距16.0 m，橫向一側間距0.8 m，兩側中心間距32.8 m。邊跨背索梁段處縱向索距為12.0 m，橫向間距與前面相同。斜拉索下端采用穿稍較錨固于鋼桁架梁邊縱梁的錨拉板上，上端采用冷鑄錨錨固在上塔柱內的齒板上。連接件的材料選用40Cr高強調質鋼材，屈服強度大于785 MPa。根據設計資料分析成橋索力最大的錨固區即近岸跨第一根拉索處，此處錨固區構造圖如圖 2，斜拉索縱向傾角是 31.745°，橫向傾角是3.303°，成橋索力3 552.8 kN。

圖2 錨固區構造Fig.2 Structure of the anchorage

2 ANSYS有限元模型分析

斜拉橋的拉索承受拉力，對鋼桁主梁有一個彈性支撐的作用，使主梁在各斜拉索作用下同多跨彈性支撐連續梁一樣，增加整個斜拉橋的結構剛度，大大降低了主梁體內彎矩。由這種理論方法可以設定主梁每跨的跨徑為12 m，即相鄰拉索錨點的間距。研究索梁錨固區的應力分布情況時取其附近區域做局部分析即可，根據結構力學知識取鋼桁主梁負彎矩區段為研究對象，索梁錨固區縱向取值0.25×12×2=6 m［8-9］，由圣維南原理知道拉索索力對超出這段距離的主梁影響不大，橫隔板橫向取2.3 m的頂板寬度。

有限元模型采用雙線性中的等向強化材料模式，彈性模量 E=2.1 ×105MPa，泊松比 μ =0.3，邊縱梁采用Q345材料，連接件、銷軸等采用40Cr材料，屈服強度大于785 MPa，考慮1%的應力強化，切線模量 E=2.1 ×103MPa。

耳板式索梁錨固區的ANSYS有限元模型使用SHELL181殼單元類型(圖3)，此類型單元有4個節點，每一個結點均有6個自由度，分別是空間3個方向的平動自由度和3個方向的轉動自由度。該類型單元適用于進行材料彈塑性、應力強化、大變形等非線性分析。

圖3 SHELL181單元Fig.3 SHELL181 element

粉房灣大橋索梁錨固區有限元模型共有34 126個節點，34 071個單元，如圖4。

圖4 有限元模型Fig.4 Finite element model

邊界條件:根據圣維南原理此模型兩端邊界的處理對耳板附近的分析結果影響很小，縱梁兩端完全固結即可。

荷載分布:索力沿拉索方向均勻分布在銷軸與耳板的接觸面上。

分析類型:采用大變形非線性分析。

3 有限元分析結果

耳板式索梁錨固區整體Mises應力分布情況如圖5，可以看出斜拉索通過耳板將巨大索力向邊縱梁頂板和腹板傳遞過程中，耳板應力遠大于頂板和腹板等其他構件，很明顯耳板出現應力極值區域，發生應力集中現象，但是 Mises應力迅速擴散給邊縱梁其它構件，降至較低的應力水平。

巨大索力通過銷軸直接作用于耳板，必然會產生應力集中現象，Mises應力極值區域位于銷孔的兩側，關于斜拉索方向對稱的位置，具體分布情況如圖6中A所示區域。

圖5 錨固區Mises應力(單位:MPa)Fig.5 Mises stess on anchorage

圖6 耳板等值線應力分布云圖(單位:MPa)Fig.6 Distribution of Mises stress on ear-plate

其它構件包括邊縱梁的頂板、腹板、底板和橫隔板。這些構件的各項應力相對較小，應力極值均是出現在各構件連接位置處，遠離這些焊縫位置的部位應力水平很低。

底板的各項應力在邊界固定端處出現最大值78 MPa，這是因為有限元模型在兩端位置固結產生的應力集中現象，并不符合實際構造形式，在耳板對應的底板處各項應力都很小。

圖7給出了橫隔板、頂板、腹板和底板的Mises應力等值線云圖。

圖7 橫隔板、頂板和腹板的Mises應力等值線云圖(單位:MPa)Fig.7 Distribution of Mises stress on diaphragm、roof and web plate

表1 各構件主要應力值對比Table 1 Comparision of results /MPa

4 結語

1)耳板式索梁錨固區的應力極值區位于錨固耳板上，最大的Mises應力值是328 MPa，粉房灣大橋耳板材料選用屈服強度大于785 MPa的40Cr高強調質鋼材，因此滿足結構承載力要求。

2)耳板上的Mises應力、各主橋向應力和剪切應力遠大于頂板、腹板和底板上的應力，耳板上應力極值區域位于銷孔的兩側，關于斜拉索方向對稱的位置。

3)耳板和焊縫等局部區域的Mises應力較大，存在應力集中現象，其它位置應力較小，索力通過銷軸傳遞至整個索梁錨固結構過程中應力擴散迅速，分布均勻。

4)在各板件相交位置處存在應力集中現象，應力較大，建議在制造錨固區構件時嚴格控制好焊接質量，確保粉房灣大橋錨固結構安全可靠。

5)由于直接承受拉索的巨大索力耳板銷孔產生巨大的局部應力，普通鋼材的屈服強度不易滿足結構承載力要求，建議其它斜拉橋索梁錨固區使用耳板式連接類型時也選用強度較大的材料。有限元分析結果可以為粉房灣大橋索梁錨固區的設計提供一定的參考依據。

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