鋼箱提籃系桿拱橋吊耳式錨固結構分析研究

胡 洋

(江蘇省交通規劃設計院股份有限公司 南京 210005)

鋼箱提籃系桿拱橋吊耳式錨固結構分析研究

胡 洋

(江蘇省交通規劃設計院股份有限公司 南京 210005)

以無錫市楊家圩大橋為背景, 介紹了鋼箱提籃系桿拱橋吊耳式錨固體系的結構特點、傳力機理; 分別采用經典彈性力學方法和有限元方法計算了耳板應力，結果表面兩者計算結果比較接近，彈性力學方法可以作為耳板設計的參考方法。

橋梁工程；吊耳；有限元；接觸；錨固

1 拱橋結構特點及錨固體系介紹

提籃式系桿拱橋是一種體外靜定，體力超靜定的橋梁，具有與相同跨度橋梁相比結構高度小、地質條件要求低、結構穩定性小、總造價低等優點。在公路橋梁工程特別是跨航道橋梁工程中廣泛采用。

鋼箱提籃拱橋通過錨固體系將系桿承受的重量傳遞到吊桿，又通過錨固體系將吊桿所受的力傳遞到拱肋，再傳遞到下部基礎。錨固體系是結構傳力的一個重要組成部分。目前在鋼箱拱橋上應用的錨固體系主要采用的是鋼錨箱結構。鋼錨箱結構復雜，鋼板多，更換索復雜。另一形式為吊耳錨固形式，吊耳錨固采用單塊厚板焊接于拱或梁上，通過銷軸和叉耳與耳板連接，再用連接叉耳端部的反向螺栓調節吊桿長度來張拉吊桿。該錨固形式廣泛應用于懸索橋領域，由于其結構形式簡單，受力明確，更換方便，已逐步推廣應用到拱橋領域。

圖1 叉耳錨固體系

2 項目介紹

無錫市楊家圩大橋為 82m的下承式鋼箱提籃拱橋。全橋跨徑組成為：(11× 25)+82 +(20+3×25)m，橋長458m。主橋采用全鋼結構，橋面結構為鋼縱橫梁、混凝土橋面板體系。主橋計算跨徑80m,鉛直面內投影矢高20m，矢跨比1/4。拱軸線線型為二次拋物線。拱肋為提籃拱形式，拱肋向內傾12度。主橋兩拱肋之間的鏤空效果通過裝飾結構形成。

圖2 無錫市楊家圩大橋

圖3 拱肋耳板立面

圖4 拱肋耳板橫斷面圖

楊家圩大橋采用雙吊耳體系，即吊桿與拱肋和系梁均采用吊耳結構。兩吊耳按照90度夾角布置。其中拱肋部位吊耳主要由耳板、耳板拱內板、耳板墊板和耳板加勁板組成。在對應吊耳位置拱肋內布置一道拱肋加勁。

主橋每側拱肋各設置15根吊桿，全橋共30根。吊桿縱橋向間距為4.9m。靠近拱腳處短吊桿采用材質40Cr的高強度合金鋼拉桿，直徑為φ125mm，鋼拉桿中間設調節套筒，可調節量為±100mm，全橋共4根此類吊桿。其余26根吊桿均采用61φ7mm高強度鍍鋅平行鋼絲束，標準強度為1670MPa。吊桿兩端均采用吊耳銷接在拱肋及系桿上。錨具采用冷鑄錨，橋面處錨頭為張拉端，拱肋處錨頭為固定端。吊桿近張拉端設調節套筒，可調節量為±100mm。吊桿與拱肋平面在橫橋向內傾12度。

3 彈性力學計算耳板應力

在吊桿力作用下，耳板式錨固結構的銷軸和耳板銷孔緊密貼合發生局部變形，兩者的接觸應力可以通過彈性力學理論進行初步分析。根據彈性力學中赫茲（H.Hertz）證明的理論，橢圓接觸面上最大壓應力P0，可按下式計算：

對于兩圓柱體接觸面上最大壓力應力的計算，實際上就是接觸面橢圓的長半軸短a→∞,短半軸b為有限的特殊情況, 表明接觸面變成一個寬度為2b的無限長條帶，此時由式（1）可推出如下公式：

將R1取負值, 即是半徑R2圓柱體放置在半徑R1, 圓柱體套內的情況,則式(4)、(5)有

其中p為沿柱體軸線方向單位長度上的外壓力。

對于兩個有限長度圓柱體的接觸問題, 原則上不能直接采用式(6)、(7)來計算其最大接觸壓力。由于推導該類問題的理論計算公式較困難, 這里就以(6)、(7)式來近似計算耳板式錨固結構中耳板與銷子的接觸應力最大值。

楊家圩大橋耳板與銷子的接觸如圖5所示,在此耳板式錨固結構中,圓環內徑1=115.5mm,厚度t為40mm,銷子外徑D2=115mm,設計最大吊桿力為F=1256kN,兩種材料的彈性模量均為E=2.06x1011Pa, R1=57.75x10-3m, R2=57.5x10-3m,將這些數據代入式(6)、(7),計算可得耳板的最大壓應力p0=199.1MPa。

圖5 耳板與銷子接觸示意

4 有限元計算耳板應力

有限元計算采用MIDAS FEA軟件，選取吊耳力最大的中間吊點進行計算，選取一個吊索間距4.9m,邊界簡化采用兩端簡支，荷載在吊耳拉索位置作用1256KN的集中力。單元劃分：整個拱肋、加勁和橫隔板以及吊耳均采用4邊形板殼單元，單元尺寸采用20cm,局部模型共計116532個單元，116798個節點。

圖6 耳板局部分析模型

圖7 耳板局部有限元模型

計算結果：吊耳位置除靠近作用力點有局部集中力外，作用區域附近應力約200Mpa,吊耳應力擴展較快，其余部分應力均較小。

圖8 耳板計算結果

圖9 加勁板計算結果

吊耳位置隔板和加勁應力如下，在隔板開孔邊緣和與拱底部交接處出現最大應力，最大Von-Misee應力為116MPa，其他部分普遍應力在60～70MPa左右。

5 結論

1)通過將經典彈性力學和有限元方法計算表明，兩者計算結果相差不大。耳板的最大應力出現在銷孔附近, 最大壓應力發生在沿索力方向的耳板和銷軸的接觸區域, 最大拉應力出現在耳板銷孔與索力方向垂直的區域。

3)耳板式錨固結構的受力通過銷軸以壓應力的形式傳遞給耳板, 由耳板傳遞到主梁的腹板, 在腹板上應力呈放射狀擴散, 傳力途徑明確。

4)本研究可為楊家圩大橋的錨固結構設計提供設計支持和理論依據, 同時也可為同類結構試驗與分析提供參考.

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1007-6344（2016）03-0272-02

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