大跨度鋼箱梁斜拉橋索梁錨固區易損性分析

丁　瀟

(同濟大學，上海　200092)

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大跨度鋼箱梁斜拉橋索梁錨固區易損性分析

丁瀟

(同濟大學，上海200092)

以蘇通大橋為背景，根據錨箱式索梁錨固區的構造，建立了錨固區有限元模型，從鋼錨箱頂板、底板、腹板、承壓板等方面，研究了錨箱式索梁錨固區的傳力機理及應力分布特征，最終得出了一些有意義的結論。

大跨斜拉橋，索梁錨固區，鋼錨箱，有限元模型，易損性

1　概述

索梁錨固結構的作用是將集中作用于其上的巨大拉索索力可靠順暢地傳遞給主梁截面。設計時應當使力線流暢，防止出現過大的應力集中，否則在長期的動、靜載作用下，可能發生疲勞或強度破壞。因此，作為斜拉橋的關鍵部位，索梁錨固結構的可靠與否直接關系到整座大橋的安全[1]。

目前，大跨度鋼斜拉橋常見的索梁錨固形式主要有以下四種[2]：1)耳板式(銷鉸式)連接；2)錨管式連接；3)錨拉板連接；4)錨箱式連接。

2　錨箱式索梁錨固區構造

蘇通大橋的索梁錨固結構如圖1所示。鋼錨箱主要由錨箱頂板N1、錨箱底板N2、帶圓孔的承壓板N3、錨墊板N7、錨箱腹板N4和錨箱加勁肋N5(N5′)構成。整個錨箱通過錨箱頂、底板以及承壓板與主梁外腹板間的焊縫焊接在外腹板上。拉索穿過承壓板上的圓孔錨固在錨墊板上。拉索將索力由錨墊板傳遞給承壓板，然后索力通過錨箱頂、底板以及承壓板與外腹板間的三條焊縫以剪力的形式傳遞到鋼箱梁外腹板上，進而通過橫箱梁頂、底板和橫隔板分散到整個箱梁截面上。

圖1　錨箱式索梁錨固結構

承壓板在巨大索力的作用下會受彎撓曲，引起錨箱頂、底板向外鼓出變形，因此需在兩板之間設置錨箱腹板N4形成框架結構，并在錨箱頂、底板外側設置錨箱加勁肋N5(N5′)來限制這種變形(注：本文中錨箱頂板N1、底板N2、承壓板N3以及錨箱腹板N4構成箱形結構，這些板件面向拉索的一側規定為內側，背離拉索的為外側)。

3　有限元模型建立

3.1錨固區局部模型

本文采用中跨成橋恒載索力最大的J34號索，取錨固區以及附近的箱梁節段(16.0 m)為研究對象，拉索傾斜角20.284°，按照實際尺寸建立有限元模型。研究節段模型如圖2所示。

圖2　鋼箱梁節段模型

3.2混合有限元模型

傳統的節段模型一般不考慮鋼箱梁節段的位移邊界條件以及力邊界條件[3]，所以本文為了相對精確地模擬箱梁節段模型的邊界條件和受力狀態，將錨固區局部模型與全橋模型進行耦合，在連接處以主梁梁單元節點為主節點與鋼箱梁節段兩端截面所有節點進行自由度耦合。模型中，J34號索鋼錨箱及錨固區前后16 m箱梁節段用殼單元Shell63模擬，橋梁其他梁段、索塔、橋墩等采用梁單元Beam4模擬，斜拉索用Link10模擬，混合模型局部如圖3所示。

圖3　混合有限元模型

4　索梁錨固區易損性分析

4.1板件基本參數

板件基本參數見表1。

表1　板件基本參數[4]

4.2總體應力分析

混合模型計算得到蘇通大橋J34號索索力為5 545 kN，索梁錨固區索力作用下的應力云圖見圖4。由圖4可知：1)J34號索索梁錨固區von Mises應力最大值為172 MPa，各處的應力均小于許用應力。2)等效應力在承壓板和外腹板的交界處較大，并向兩側衰減。

圖4　索梁錨固區應力云圖

4.3鋼錨箱頂板N1應力分析

鋼錨箱頂板N1在索力作用下von Mises應力云圖如圖5所示。

由圖5可知：1)鋼錨箱頂板von Mises應力最大值123 MPa，大部分區域應力較小，在13.8 MPa～81.8 MPa之間，遠小于材料的許用應力。2)應力最大值出現在錨箱頂板與主梁外腹板焊縫的頂端位置。3)錨箱頂板內側與承壓板交界處也發生了應力集中，這是因為承壓板在索力作用下發生彎曲，與錨箱頂板內側發生擠壓。應力沿著拉索方向迅速衰減。

4.4鋼錨箱底板N2應力分析

鋼錨箱底板N2在索力作用下von Mises應力云圖如圖6所示。

圖5　錨箱頂板von Mises應力云圖　　　圖6　錨箱底板von Mises應力云圖

由圖6可知：1)鋼錨箱底板von Mises應力最大值為113 MPa，大部分區域應力較小，在12.6 MPa～75.2 MPa之間，遠小于材料的許用應力。2)應力最大值出現在錨箱底板內側與承壓板交界處。應力沿著拉索方向迅速衰減。3)錨箱底板與主梁外腹板焊縫的頂端區域也發生了應力集中現象。

4.5承壓板N3應力分析

承壓板N3在索力作用下von Mises應力云圖如圖7所示。

圖7　承壓板von Mises 應力云圖

由圖7可知：1)承壓板von Mises應力最大值為152 MPa。內外側應力均以承壓板對稱軸為軸對稱分布。2)在承壓板外側，應力集中發生在承壓板與主梁外腹板焊縫中部位置，其他三條邊附近應力較小。3)在承壓板內側，應力集中也發生在承壓板與主梁外腹板焊縫中部位置，其他三條邊附近應力較小，在索孔附近應力又有所增加。

4.6鋼錨箱腹板N4應力分析

鋼錨箱腹板N4在索力作用下von Mises應力云圖如圖8所示。

圖8　錨箱腹板von Mises應力云圖

由圖8可知：1)鋼錨箱腹板von Mises應力最大值為172 MPa，大部分區域應力較小，在19.5 MPa～115 MPa之間，遠小于材料的許用應力。2)近主梁外腹板的錨箱腹板應力小于遠離主梁的錨箱腹板應力，這是由于它靠近錨箱頂板、底板及承壓板與主梁外腹板間的焊縫，所以它不需要過多的參與受力。3)近主梁外腹板的錨箱腹板最大應力值為140 MPa，位于其內側與承壓板交界處。應力沿著拉索方向迅速衰減。4)遠離主梁外腹板的錨箱腹板絕大部分區域應力水平很低，小于39 MPa，其內側與承壓板交界處也存在輕微的應力集中現象，但是在過焊孔處應力集中明顯，應力最高水平達到172 MPa。

5　結語

1)索力主要通過錨箱頂板、錨箱底板以及承壓板與主梁腹板間的焊縫以剪力的形式傳遞給整個主梁截面。2)在5 545 kN索力的作用下，索梁錨固區的von Mises應力最大值為172 MPa，出現在錨箱腹板與承壓板焊縫的端點區域。3)錨箱頂板、底板與主梁外腹板的焊縫頂部區域、承壓板與主梁外腹板的焊縫中部均產生了明顯的應力集中現象。4)索梁錨固區其他區域應力水平較小，應力值均小于材料的許用應力。

[1]滿洪高.大跨度鋼斜拉橋索梁錨固結構試驗研究[D].成都：西南交通大學,2007.

[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].工程力學，2004,21(6):84-90.

[3]陳國紅.大跨度鋼斜拉橋錨箱式索梁錨固結構計算方法與力學特性研究[D].上海：同濟大學土木工程學院，2009.

[4]陳天地，戴勝勇，曾永平，等.鐵路鋼橋鋼材容許應力取值探討[J].高速鐵路技術，2010,1(2):14-16.

Analysis on vulnerability of large span steel box girder cable stayed bridge cable girder anchorage zone

Ding Xiao

(TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Taking the Sutong bridge as the background, according to the structure of anchor box cable girder anchorage zone, this paper established the finite element model of anchorage zone, from the steel anchor box roof plate, web plate, pressure plate and other aspects, researched the transfer mechanism and the stress distribution features of box anchor cable beam anchorage zone, finally drew some meaningful conclusions.

long span cable stayed bridge, cable girder anchorage zone, steel anchor box, finite element model, vulnerability

1009-6825(2016)21-0165-02

2016-05-18

丁瀟(1990- )，男，在讀碩士

U448.27

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