鋼錨梁結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

李欣

（同濟大學建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司，上海市 200092）

鋼錨梁結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

李欣

（同濟大學建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司，上海市 200092）

以湖州市創(chuàng)業(yè)大道跨長湖申線大橋主橋鋼錨梁為背景，對板件水平荷載分擔比、承力板傳遞荷載比及側(cè)板轉(zhuǎn)角局部應(yīng)力進行參數(shù)分析，對鋼錨梁設(shè)計提供建議。結(jié)果表明：側(cè)板承擔了大部分的水平分力（約65%），而底板對水平分力承擔貢獻很小（約2%）；增大錨點的高度，相當于加大了索力水平分力的偏心，將使頂板承擔更多的荷載，同時將加大側(cè)板轉(zhuǎn)角區(qū)域的應(yīng)力集中；支撐板與側(cè)板各自承擔約50%的錨下壓力，上支撐板比下支撐板傳遞荷載略大，約大10%；錨固點的水平位置對鋼錨受力影響基本不大。

鋼錨梁；板件水平荷載分擔比；承力板傳遞荷載比；側(cè)板轉(zhuǎn)角局部應(yīng)力

1　工程背景

湖州市創(chuàng)業(yè)大道跨長湖申線大橋主橋為跨徑（149+100=249）m獨塔雙索面混凝土主梁斜拉橋，塔、梁、墩固結(jié)體系。索塔采用H形索塔；主梁采用混凝土雙主肋主梁；斜拉索采用平行鋼絲成品索。

索塔總高度為70 m，中塔柱高度截面采用箱形截面，順橋向?qū)挾葹?.0 m，橫橋向?qū)挾葹?.0 m，順橋向壁厚1.35 m，橫橋向壁厚0.7 m。上塔柱為豎直塔柱，截面采用箱形截面，順橋向?qū)挾葹?.0 m，橫橋向?qū)挾葹? m，順橋向壁厚1.0 m，橫橋向壁厚0.7 m。

斜拉橋拉索縱向立面采用扇形布置，橫向略微內(nèi)傾，為空間索面。全橋共44對索，塔上索距2.15～2.25 m。使用階段最大索力約 8 000 kN，AC08～AC22、MC08～MC22拉索采用鋼錨梁+混凝土牛腿的錨固形式。

以往的鋼錨梁研究中，主要集中在模型試驗及針對某一設(shè)計進行的豎直分析［1-4］，本文對鋼錨梁板件水平荷載分擔比、承力板傳遞荷載比及側(cè)板轉(zhuǎn)角局部應(yīng)力進行參數(shù)分析，為鋼錨梁設(shè)計提供建議。

2　計算模型

鋼錨梁錨固的傳力途徑：將鋼錨梁沿順橋向置于混凝土索塔內(nèi)壁的牛腿上，斜拉索直接錨固在鋼錨梁的承壓板上，承壓板通過承力板將索力傳遞給腹板，其中，斜拉索水平分力主要由鋼錨梁承擔，豎向分力通過牛腿傳給塔柱。鋼錨梁計算時，偏安全地考慮鋼錨箱承擔全部斜拉索的水平力（見圖1和圖2）。

圖1　鋼錨梁示意圖

圖2　有限元模型

（1）單元：鋼錨梁板件采用板殼單元Shell63模擬，為模擬索力在鋼板中的擴散過程，將承壓板用實體單元Solid45模擬，承壓板與承力板之間殼體連接采用接觸單元Conta175和Targe170模擬其固結(jié)。

（2）邊界條件：鋼錨梁底板與牛腿連接區(qū)域一端固結(jié)，一端可以自由滑動。

（3）荷載：自重荷載+斜拉索索力，對于索力，根據(jù)斜拉索錨圈與承壓板的作用面積，以面荷載的形式施加到鋼錨箱承壓板上。

3　參數(shù)分析

3.1水平力分配參數(shù)分析

鋼錨梁的作用為平衡索力水平力，在斜拉索水平分力作用下，鋼錨梁整體為偏心受拉構(gòu)件，水平拉力由側(cè)板、頂板和底板一起承擔。各板件荷載分擔比應(yīng)與其抗拉剛度（即板件面積）、索力作用點偏心（拉索錨固點高度）等有關(guān)，本文分析側(cè)板厚度、側(cè)板高度、錨點高度及錨點水平距離三個參數(shù)對頂板、側(cè)板和底板水平荷載分擔比的影響，鋼錨梁整體設(shè)計提出建議，圖3所示為相關(guān)參數(shù)分析結(jié)果。

由圖3可知：

圖3　板件水平荷載分配參數(shù)分析

（1）側(cè)板承擔了大部分的水平分力（約65%），而底板對水平分力承擔貢獻很小（約2%）。設(shè)計中，常由于斜拉索加長桿的空間要求，對底板開孔，事實上，這對結(jié)構(gòu)受力影響很小。但對于頂板，承擔了相當一部分水平力（約30%），隨意對頂板的開孔，將導致一部分荷載轉(zhuǎn)移到側(cè)板，設(shè)計和施工中應(yīng)注意評估這一影響。

（2）隨著側(cè)板厚度或側(cè)板有效高度的增加（即增大側(cè)板抗拉剛度），側(cè)板分擔水平荷載的能力也增加，一般設(shè)計情況下，分擔比都在60%以上。

（3）由于頂板最接近水平分力作用點偏心內(nèi)側(cè)，相比于側(cè)板應(yīng)力分布從下至上為三角形分布，頂板基本呈現(xiàn)均勻的飽和應(yīng)力狀態(tài)，效率更高，對于有些索力超大的斜拉橋，如果單純地利用側(cè)板承擔荷載，將導致側(cè)板需采用超厚板（甚至超過50 mm），這是不合理的，如果能合理利用合適板厚的頂板承擔荷載，這將使鋼錨梁設(shè)計更為合理。

（4）增大錨點的高度，相當于加大了索力水平分力的偏心，而頂板作為偏心內(nèi)側(cè)，承擔荷載比例將增加。

（5）錨固點的水平距離對板件水平荷載分配比例基本影響不大。

3.2承力板傳遞荷載比參數(shù)分析

由鋼錨梁錨下構(gòu)造可知，錨墊板下的左、右側(cè)板及上、下支撐板對錨墊板組成一個矩形的四面支撐，索力通過錨墊板一部分直接以壓應(yīng)力的形式傳給與其接觸的側(cè)板，一部分通過承力板以剪應(yīng)力形式傳給側(cè)板。盡管最終都傳遞至側(cè)板，但從設(shè)計的角度，更希望索力以后者途徑進行傳遞，這樣可以保證應(yīng)力傳遞的均勻性，更趨向于對側(cè)板以更小的偏心傳遞水平力，改善側(cè)板轉(zhuǎn)角點應(yīng)力（下文對此專門進行分析），本文對上下支撐板厚度、長度、間距及側(cè)板間距幾個參數(shù)對支撐板傳遞荷載比進行參數(shù)分析，具體如圖4所示。

圖4　承力板傳遞荷載比參數(shù)分析（單位：mm）

計算表明：

（1）支撐板與側(cè)板各自承擔約50%的錨下壓力，上支撐板比下支撐板傳遞荷載略大，約大10%。

（2）隨著支撐板厚度或長度的增加（即增大支撐板剛度），支撐板傳遞荷載比例增加，但支撐板長度與其傳遞荷載能力并不一直為線性比例關(guān)系，兩者存在最優(yōu)平衡點，設(shè)計時選擇合理的支撐板長度，既能減短鋼錨梁兩端的傳遞構(gòu)造長度，從而實現(xiàn)其經(jīng)濟性，又能保證其受力要求。

（3）支撐板或側(cè)板間距減小（在能保證斜拉索穿過的空間下），各自傳遞荷載能力線性增強，即減小支撐板間距或增大側(cè)板間距可以使支撐板傳遞荷載比例增加。

3.3側(cè)板轉(zhuǎn)角局部應(yīng)力參數(shù)分析

側(cè)板是鋼錨梁格板件中輪廓尺寸最大的板件，其用鋼量往往占整個鋼錨梁構(gòu)件用鋼梁50%以上，選擇合適的側(cè)板板厚及形狀可以直接產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。實際上，選擇合適的板厚后，鋼錨梁側(cè)板的中部應(yīng)力在設(shè)計中一般并不控制，側(cè)板應(yīng)力較大的區(qū)域一般在兩端的應(yīng)力傳遞區(qū)域，特別是兩個轉(zhuǎn)角位置，如圖5所示。

圖5　側(cè)板應(yīng)力較大區(qū)域示意圖

分析側(cè)板厚度、轉(zhuǎn)角處倒角、錨點高度及錨點水平距離幾個參數(shù)對該區(qū)域應(yīng)力的影響，如圖6所示。

計算表明：

（1）轉(zhuǎn)角區(qū)域應(yīng)力與側(cè)板厚度有線性關(guān)系，加大側(cè)板的厚度，可以有效地減小區(qū)域應(yīng)力，但側(cè)板厚度對鋼錨梁用鋼量影響很大，可選擇局部加厚板件的方式改善該區(qū)域應(yīng)力，即側(cè)板中間區(qū)域與兩端采用變厚度設(shè)計。

（2）倒角半徑對區(qū)域應(yīng)力影響較大，但半徑增大到一定值后，基本趨于穩(wěn)定，設(shè)計時，由于尺寸要求，往往倒角半徑都是有限制的，因此在有效的尺寸空間內(nèi)選擇合適的倒角半徑非常有必要。

（3）如前文所述，錨點高度的增大，將增大水平力的偏心，這將導致轉(zhuǎn)角區(qū)域應(yīng)力的增大，而錨點水平位置對改區(qū)域應(yīng)力影響不大。

圖6　側(cè)板轉(zhuǎn)角局部應(yīng)力參數(shù)分析

4　結(jié)語

本文對鋼錨梁主要構(gòu)件及關(guān)鍵位置控制應(yīng)力進行參數(shù)分析，計算得到以下結(jié)論：

（1）側(cè)板承擔了大部分的水平分力（約65%），而底板對水平分力承擔貢獻很小（約2%）。設(shè)計中，常由于斜拉索加長桿的空間要求，對底板開孔，事實上，這對結(jié)構(gòu)受力影響很小。但對于頂板，承擔了相當一部分水平力（約30%），隨意對頂板的開孔，將導致一部分荷載轉(zhuǎn)移到側(cè)板，設(shè)計和施工中應(yīng)注意評估這一影響。

（2）增大錨點的高度，相當于加大了索力水平分力的偏心，將使頂板承擔更多的荷載，同時將加大側(cè)板轉(zhuǎn)角區(qū)域的應(yīng)力集中。

（3）支撐板與側(cè)板各自承擔約50%的錨下壓力，上支撐板比下支撐板傳遞荷載略大，約大10%；隨著支撐板厚度或長度的增加（即增大支撐板剛度），支撐板傳遞荷載比例增加，但支撐板長度與其傳遞荷載能力并不一直為線性比例關(guān)系，兩者存在最優(yōu)平衡點，設(shè)計時選擇合理的支撐板長度，既能減短鋼錨梁兩端的傳遞構(gòu)造長度，從而實現(xiàn)其經(jīng)濟性，又能保證其受力要求。

（4）轉(zhuǎn)角區(qū)域應(yīng)力與側(cè)板厚度有線性關(guān)系，加大側(cè)板的厚度，可以有效地減小區(qū)域應(yīng)力，但側(cè)板厚度對鋼錨梁用鋼量影響很大，可選擇局部加厚板件的方式改善該區(qū)域應(yīng)力，即側(cè)板中間區(qū)域與兩端采用變厚度設(shè)計。

（5）錨固點的水平位置對鋼錨受力影響基本影響不大。

［1］張奇志.內(nèi)置式鋼錨梁索塔錨固結(jié)構(gòu)試驗研究 ［J］.鐵道建設(shè)，2012（12）：1-4.

［2］陳世教，薛志武，杜波.基于ANSYS的廈漳跨海大橋主塔鋼錨梁有限元分析［J］.重慶交通大學學報（自然科學版），2011（3）：357-360.

［3］胡貴瓊，鄭舟軍.荊岳長江公路大橋鋼錨梁索塔錨固區(qū)單節(jié)段模型有限元分析［J］.世界橋梁，2012（2）：40-44.

［4］勵曉峰，陳何峰，鄭本輝.桂林南洲大橋索塔鋼錨梁結(jié)構(gòu)受力分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2008（9）.

U441+.2

A

1009-7716（2016）06-0106-04

2016-04-05

李欣（1978-），男，湖北武漢人，碩士，工程師，從事橋梁設(shè)計工作。