V形拱塔斜拉橋鋼錨箱結(jié)構(gòu)受力分析

趙文溥

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

隨著橋梁技術(shù)的不斷進(jìn)步，橋梁逐漸向輕型化和組合化發(fā)展，尤其隨著現(xiàn)代人生活水平日漸提高，人們對城市的美觀提出了更高的要求[1]。V形拱塔斜拉橋因其漂亮的造型以及優(yōu)美的結(jié)構(gòu)受到越來越多橋梁工作者的青睞。鋼錨箱是斜拉索索力的重要傳力構(gòu)件，鋼錨箱的安全可靠是該橋型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文基于ANSYS對鋼錨箱所處的拱塔節(jié)段進(jìn)行受力分析計(jì)算，獲得了該錨固區(qū)應(yīng)力的大小和分布規(guī)律，為該橋設(shè)計(jì)提供了有用的參考依據(jù)。

1 工程概況

本文研究的索輔體系斜拉橋，依托于遼寧省朝陽市新城東街大橋（圖1），該橋主跨布置為90+90=180 m；引橋跨徑為（29.98+30.02）m和單跨30.04 m，主梁采用單箱四室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，斜腹板。全寬34 m，梁高2.8 m，頂板厚280 mm，底板厚280 mm，塔處增加到550 mm；腹板厚450 mm，塔處斷面增加到750 mm。塔采用雙拱塔V字形，拱塔中心傾斜20°。拱軸線為橢圓線，拱塔斷面為單箱單室鋼箱斷面。拱塔拉索錨固采用鋼錨箱方式，錨箱腹板厚度40 mm，高度1.3 m或1.7 m，塔上索距垂直間距2 m。本文研究的鋼錨箱實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 總體布置示意圖

圖2 鋼錨箱示意圖

該橋?yàn)閂型雙拱塔異形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，尤其是索塔錨固結(jié)構(gòu)為關(guān)鍵受力部位，必須重點(diǎn)加以考慮。

2 整體計(jì)算

在該斜拉橋中，拱塔采用雙拱塔V字形，拱塔中心傾斜20°。拱軸線為橢圓線，拱塔斷面為單箱單室鋼箱斷面，主塔拉索分為水平索和斜拉索。

對斜拉橋索塔錨固區(qū)進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，一般做法是先對全橋結(jié)構(gòu)利用桿系有限元程序進(jìn)行分析，得出索塔斷面的組合內(nèi)力和索力，然后取適當(dāng)?shù)墓?jié)段進(jìn)行三維實(shí)體有限元分析[2]。

首先利用Midas Civil建模型（圖3），梁單元模擬混凝土主梁，桁架單元模擬拉索。計(jì)算模擬一次落架施工。整個(gè)計(jì)算模型共268個(gè)節(jié)點(diǎn)，264個(gè)單元，計(jì)算采用kN、m制，應(yīng)力單位為MPa。最終計(jì)算分析出最不利荷載作用下，斜拉索受到的索力。

圖3 Midas計(jì)算模型

圖4 最不利荷載下最大索力（單位：kN）

由圖4可以看出在最不利荷載作用下10號索受到的拉力最大，故選取MX10號錨箱進(jìn)行建模并進(jìn)行數(shù)值分析，得出斜拉橋索塔錨固區(qū)的應(yīng)力分布狀況。

3 鋼錨箱有限元數(shù)值計(jì)算

所研究的鋼錨箱由于受力復(fù)雜，所以我們選擇10號鋼錨箱所處的鋼拱塔節(jié)段建立實(shí)體模型進(jìn)行分析，這樣可以模擬更加真實(shí)的受力環(huán)境取得更加準(zhǔn)確的結(jié)果。

拱塔結(jié)構(gòu)的材料屬性如表1所示。

表1 鋼板材料屬性表

計(jì)算模型采用SHELL63彈性殼單元，把在最不利工況下的斜拉索索力換算成錨墊板區(qū)域（除去圓孔面積）的均布面力，其作用方向與拉索方向保持一致（垂直于承壓板），斜拉橋鋼拱塔和鋼錨箱二者接觸面節(jié)點(diǎn)完全耦合，共同受力，模型中拱塔節(jié)段兩端施加固定端約束，同時(shí)還要考慮節(jié)段頂部截面受到上部拱塔的壓力作用，計(jì)算中將其換算為均布荷載施加到頂部截面上[3]。

圖5 鋼拱塔節(jié)段有限元模型

圖6 鋼錨箱有限元模型

4 計(jì)算結(jié)果分析

本文計(jì)算的鋼錨箱處于復(fù)雜的三向應(yīng)力狀態(tài)，通過對上述模型進(jìn)行計(jì)算，得出了如下分析結(jié)果：

圖7 N1板Mises應(yīng)力云圖（單位：kPa）

圖8 N1a板Mises應(yīng)力云圖（單位：kPa）

從圖7、圖8中，我們可以看出鋼錨箱N1、N1a側(cè)板與錨墊板連接處產(chǎn)生的應(yīng)力比較大，最大分別能達(dá)到111.6 MPa和102.5 MPa。這是由于在該處錨墊板受到斜拉索索力作用，斜拉索產(chǎn)生的水平力主要由鋼錨箱自身來平衡，水平力通過兩者之間的焊縫傳給N1側(cè)板，所以應(yīng)力比較大，其他部位受力比較均勻，總體應(yīng)力不是很大。

圖 9 N2、N2a，N2’及N2a’板 Mises應(yīng)力(單位：kPa)

圖 9 中，鋼錨箱中 N2、N2a 為頂板，N2a′、N2′為底板，不受斜拉索力直接作用，頂板主要受到上面拱塔節(jié)段的壓力作用，底板主要受到下面拱塔節(jié)段的支撐作用，總體受力較小，未出現(xiàn)比較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

N3板為鋼錨箱支撐板（圖10所示），通過支撐板將部分鋼錨箱未能自身平衡的斜拉索索力傳給鋼拱塔塔壁，由于未能平衡的力比較小，所以在圖中可以看出，靠近錨墊板和側(cè)板連接處的位置應(yīng)力比較大達(dá)到74 MPa，靠近鋼塔壁位置的應(yīng)力小，同樣N4、N5、N6板都是類似情況，不再贅述。

圖10 N3板Mises應(yīng)力(單位：kPa)

圖11 N9板Mises應(yīng)力(單位：kPa)

圖12 拱肋節(jié)段Mises應(yīng)力（單位：kPa）

在圖11中，N9板為鋼錨箱承壓板，承壓板受到斜拉索直接作用，包括承壓板與斜拉索之間的預(yù)緊力作用產(chǎn)生了很明顯的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力達(dá)到300 MPa，承壓板與側(cè)板以及支撐板連接處應(yīng)力也有增大趨勢，反應(yīng)出鋼錨箱真實(shí)的受力特點(diǎn)；圖12中可以看到拱肋的應(yīng)力較小，僅有60 MPa。

5 結(jié)語

通過對V形拱塔斜拉橋進(jìn)行整體分析得到最不利荷載下索力，然后運(yùn)用ANSYS對錨固部分進(jìn)行了計(jì)算，最后得出：

a）拱塔錨固區(qū)整體受力基本滿足要求，拱塔塔壁承受的應(yīng)力較小，承壓板局部應(yīng)力較大，但是也未超出端面承壓的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（400 MPa）。

b）鋼錨箱為空間結(jié)構(gòu)體系，受力非常復(fù)雜，在進(jìn)行有限元分析時(shí)對模型合理簡化和對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行正確的判斷十分必要。

c）該橋塔為異型橋塔，索面為空間索面，每個(gè)鋼錨箱的角度都不一樣，鋼錨箱在施工時(shí)應(yīng)精確定位，否則會造成局部區(qū)域角點(diǎn)應(yīng)力過大。