帆型鋼塔錨固區(qū)應力分析與構(gòu)造優(yōu)化設計

孟續(xù)東

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

帆型鋼塔錨固區(qū)應力分析與構(gòu)造優(yōu)化設計

孟續(xù)東

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

為研究帆型鋼塔錨固區(qū)應力分布以及傳力機理，以寧波濱海五路跨路中灣江橋（單索面獨塔斜拉橋）為工程背景，基于有限元軟件MIDAS FEA 3.6.0，采用等效板厚法，建立了鋼塔GT8#節(jié)段全實體單元有限元模型，對主要受力板件應力分布、傳力機理進行了分析。結(jié)果表明：鋼錨箱各板件Von Mises應力均小于200 MPa，滿足規(guī)范要求；鋼錨箱承剪板與鋼塔內(nèi)外腹板連接處存在應力集中，但范圍分布有限，應力擴散較快；通過對比水平鋼拉桿三種不同的截面型式，確定了豐字形，既能滿足受力需要，又簡化了節(jié)點構(gòu)造，降低了鋼結(jié)構(gòu)加工制造難度。通過分析不同翼緣伸入塔肢長度對錨固區(qū)應力分布的影響，提出了采用2倍鋼拉桿高度為最優(yōu)設計方案。

索塔錨固區(qū)；傳力機理；應力分析；鋼拉桿；節(jié)點設計

0 引言

隨著城市橋梁建設飛躍發(fā)展，人們對橋梁美學要求越來越高。斜拉橋作為成熟的設計橋型，因其施工技術(shù)成熟，建設條件要求低，造型多樣，能展現(xiàn)出城市的個性，在橋型比選中被廣為推薦采用[1]。在多樣的索塔選型中，帆型索塔因具有獨特的造型，揚帆遠洋的深刻寓意，廣受建設者們青睞。索塔的造型及美觀需求必然導致復雜的結(jié)構(gòu)設計，橋梁工程師需要兼顧外形美觀來解決構(gòu)造設計的合理性、加工制造的可行性以及工程造價的經(jīng)濟性。連接斜拉索和橋塔的錨固區(qū)是斜拉橋中的關鍵部位，是實現(xiàn)斜拉索索力傳遞安全、均勻地傳遞到塔柱的重要構(gòu)造。索塔錨固區(qū)采用鋼錨箱這一結(jié)構(gòu)型式，在國內(nèi)已有多座橋梁運用[2]。目前，對于鋼錨箱式鋼塔錨固區(qū)受力性能已有研究[3]，但對帶鋼拉桿節(jié)點構(gòu)造的帆型鋼塔結(jié)構(gòu)，尚無研究案例。因此，本文以寧波濱海五路跨路中灣江橋為背景，建立了全板殼單元有限元模型，研究其應力狀態(tài)、索力傳遞機理和應力集中現(xiàn)象，并通過對比分析，指導并優(yōu)化索塔錨固區(qū)結(jié)構(gòu)設計。

1 工程背景

寧波濱海五路跨路中灣江橋是一座獨塔單索面斜拉橋，跨徑布置為83 m+83 m，全長166 m，如圖1所示。橋梁結(jié)構(gòu)采用塔梁墩固結(jié)體系，主墩不設支座，邊墩設置盆式橡膠支座。主梁采用預應力混凝土箱梁，梁高2.713 m。

圖1 濱海五路跨路中灣江橋立面布置圖(單位：m)

主塔采用帆型鋼索塔，塔高約61.414 m，其構(gòu)成包括承臺以上11.030 m混凝土塔梁墩座、4.2 m鋼混過渡段以及46.183 m鋼塔段。鋼塔段共計9個節(jié)段，長度約4～7.8 m，拉索區(qū)標準節(jié)段長5.0 m，如圖2所示。鋼塔柱斷面尺寸為2.5 m（橫橋向）× 2.1～2.7 m（縱橋向），單箱雙室結(jié)構(gòu)，內(nèi)設一道中腹板，塔柱內(nèi)外側(cè)分別設置半徑1.2 m和0.4 m圓弧，如圖3所示。

圖2 GT8#節(jié)段立面圖(單位：mm)

圖3 GT8#節(jié)段平面圖（單位：mm）

全橋44根共22對斜拉索，梁上拉索間距6 m，塔上索距 2.0～2.2 m，拉索采用了 PES7-151、PES7-163兩種規(guī)格。塔端錨固系統(tǒng)采用鋼錨箱，結(jié)構(gòu)長700 mm，承壓板厚40 mm，錨墊板板厚60 mm，端承板厚30 mm，其余加勁板厚30 mm。

2 有限元計算模型

選取索力最大的1#斜拉索及其對應的GT8#鋼塔節(jié)段作為研究對象，基于有限元軟件MIDAS FEA 3.6.0，采用等效板厚法，建立包括1#斜拉索、2#斜拉索在內(nèi)的GT8#鋼橋塔板殼元模型。為消除邊界效應對鋼錨箱及鋼拉桿受力區(qū)的影響，根據(jù)圣維南原理，沿橋塔縱向選取高度為8 m的節(jié)段，并在兩端施加固定約束；同時考慮到計算代價，利用橋塔對稱性，建立1/2模型并施加對稱約束；模型索力以均布荷載的方式施加，加載位置為錨頭錨圈在錨墊板上的圓環(huán)形投影面，加載索力取全橋整體模型在最不利荷載組合下的最大索力4 270 kN；對于重點局部分析區(qū)域，有限元網(wǎng)格進行了細化。有限元模型如圖4所示。

圖4 GT8#節(jié)段1/2模型

3 計算結(jié)果

3.1 鋼錨箱應力結(jié)果分析

鋼錨箱在斜拉索索力作業(yè)下，應力分布復雜，不均勻程度嚴重[4]。鋼錨箱Von Mise應力由圖5可知，鋼錨箱整體應力不大，最大值為143.9 MPa，平均應力約80 MPa，局部范圍出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，主要區(qū)域集中在承壓板與錨箱加勁板、承剪板與鋼塔腹板等板件連接處。由于加載索力不大，應力集中機制相對較小，且擴散較快。

圖5 鋼錨箱整體Mise應力分布云圖（單位：MPa）

承壓板應力分布云圖如圖6所示。由圖6中可知，承壓板應力不大，但分布極不均勻，極值分布范圍小，主要集中在承壓板與加勁肋、承剪板、鋼塔腹板之間的連接處。

圖6 承壓板Mise應力分布圖（單位：MPa）

承剪板應力分布云圖如圖7所示。由圖7中可知，承剪板傳力機理主要集中向鋼塔中腹板側(cè)，此區(qū)域應力相對較大，而傳遞至塔柱外壁應力較小。因此，設計過程中，可以適當增加鋼塔中腹板板厚，減低外塔壁板厚，從而達到節(jié)約鋼材、降低工程造價的目的。但改變塔柱鋼板板厚所引起構(gòu)件剛度變化，會增加中腹板所分擔的應力水平，同時應力集中現(xiàn)象也會越加明顯，應引起注意。

圖7 傳剪板Mise應力分布圖(單位：MPa)

3.2 鋼索塔應力分布

鋼索塔中腹板應力分布云圖如圖8所示。由圖8可知，整個中腹板應力分布均勻，傳力順暢，承剪板與腹板連接端處存在一定應力集中。作為索塔錨固區(qū)受力最大的構(gòu)件，中腹板傳力機理呈現(xiàn)由承剪板與腹板連接區(qū)，向鋼拉桿區(qū)擴散的應力分布特點；同時相鄰兩根斜拉索錨固區(qū)應力分布存在一定疊加，應力較小（61.03 MPa），說明設計方案中塔上索距布置較為合理。

圖8 中腹板Mise應力分布云圖（單位：MPa）

塔壁應力分布如圖9所示。由圖9可知，外塔壁傳力機理與中腹板存在一定差異。由于遠離鋼拉桿區(qū)，斜拉索力通過鋼錨箱傳遞至外塔壁后，在錨固區(qū)前端，向下進行擴散，并與相鄰拉索錨固區(qū)發(fā)生疊加，這與中腹板是不同的，設計中應予以注意。同時，外塔壁景觀造型的要求，在鋼錨箱與外塔壁截面圓弧連接處，出現(xiàn)應力集中，最大應力207.7MPa，但應力分布范圍小，擴散較快，在此薄弱區(qū)，現(xiàn)場施工應加強對焊縫的質(zhì)量控制。

圖9 塔壁Mise應力分布云圖（單位：MPa）

3.3 鋼拉桿優(yōu)化設計對比分析

結(jié)合帆型索塔造型分析其結(jié)構(gòu)受力，斜拉索水平分力需要依靠鋼拉桿平衡，其中主要依靠強大的中腹板傳遞內(nèi)力。勁型骨架加勁伸入索塔長度的不同，導致鋼拉桿兩端的約束程度有很大差異[5]。帆型塔鋼拉桿景觀造型為直徑0.8 m圓柱，如按建筑造型設置圓管鋼拉桿，將增加圓形鋼管截面與中腹板的復雜連接節(jié)點，增加施工難度，同時拉桿受力機理不明確，傳力不流暢。因此，根據(jù)索塔錨固區(qū)受力特性，該工程采用勁型骨架+外包裝飾板的設計方案，鋼拉桿與索塔的連接節(jié)點設計了勁型骨架，并與索塔主要傳力構(gòu)件中腹板平順連接，以達到傳力明確、受力均勻的設計理念。本文利用有限元模型建立了工字型、十字型、豐字型三種截面型式，如圖10所示，對其應力狀態(tài)進行了分析研究。

圖10 三種鋼拉桿截面型式

3.3.1 不同斷面型式下鋼拉桿應力

由總體桿系單元有限元模型計算結(jié)果可知，帆型塔水平鋼拉桿除承受軸向拉力外，由于塔柱彎曲變形而存在一定彎矩作用。這就要求鋼拉桿設計在彎矩平面內(nèi)具有一定的抗彎剛度，抵抗上述彎矩。本文建立三種斷面型式鋼拉桿，其應力分布如圖11所示。

由圖11可知，由于截面抗彎剛度的差異，導致鋼拉桿應力變化較大，但最大應力Mise應力為140 MPa，均滿足規(guī)范要求。由此可知，鋼拉桿主要以承受軸力為主，其次承受一定彎矩，設計采用合理的截面型式，能夠滿足局部抗彎承載力需求。結(jié)合該實際工程考慮，由于鋼塔柱采用了帶曲線變截面型式，選用豐字形鋼拉桿型式，即滿足構(gòu)件的受力需要，也便于構(gòu)件加工制造。

3.3.2 勁型骨架加勁肋伸入索塔長度

索塔鋼錨箱錨固區(qū)，應力狀態(tài)復雜，在此區(qū)域設置鋼拉桿，應充分重視其對錨固區(qū)高應力區(qū)的影響。本文以工字型斷面為例，建立有限元模型，分析對比工字型截面翼緣伸入長度從1倍變化到3倍拉桿直徑，在不同伸入長度下，索塔及拉桿應力分布情況，如圖12所示。

由圖可知，隨著鋼拉桿翼緣板伸入索塔長度增加，其應力逐漸降低，索塔腹板應力更加均勻。過短的翼緣伸入長度，加勁板與腹板連接處出現(xiàn)應力集中，達到212 MPa；翼緣板長度過長，將導致材料浪費，占用索塔內(nèi)部空間，也不利索塔內(nèi)部施工。鋼拉桿翼緣板采用2倍直徑長度，索塔腹板應力擴散較均勻，最大應力167 MPa，為最優(yōu)設計方案。

圖11 三種型式鋼拉桿Mise應力分布（單位：MPa）

4 結(jié)論

本文以寧波濱海五路跨路中灣江橋為背景，通過建立空間板殼有限元模型，對索塔錨固區(qū)應力狀態(tài)、傳力機理、應力集中現(xiàn)象、鋼拉桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行了研究分析，得出以下結(jié)論：

（1）通過應力結(jié)果分析，鋼錨箱結(jié)構(gòu)整體應力水平較低，但主要傳力板件受力非常不均勻，各板件Von Mise應力均小于210 MPa，鋼錨箱結(jié)構(gòu)設計安全，合理可靠。

圖12 索塔錨固區(qū)Mise應力分布圖（單位：MPa）

（2）由于帆型鋼索塔獨特造型，鋼塔外塔壁與中腹板傳力機理存在差異，中腹板索塔錨固區(qū)應力偏于向鋼拉桿區(qū)擴散，而外塔壁錨固區(qū)由于受鋼拉桿影響較小，應力呈現(xiàn)出向鋼錨箱前段、向下擴散的特點。

（3）帆型鋼索塔水平拉桿以受拉為主，并承受一定的彎矩作用。通過優(yōu)化節(jié)點設計，采用合理的截面形式，能夠滿足局部抗彎承載能力需求。

（4）鋼索塔內(nèi)鋼拉桿翼緣板隨著伸入長度增加，應力分布更加均勻，傳力順暢。長度過短易導致應力集中，高應力區(qū)顯著，長度過長，不經(jīng)濟合理，構(gòu)造冗余，影響構(gòu)件加工制造。建議翼緣伸入長度采用2倍的桿件高度為最優(yōu)選擇方案。

[1]嚴國敏．現(xiàn)代斜拉橋[M]．成都：西南交通大學出版社，2000．

[2]王沖，周莉，孫東利，等.獨塔斜拉橋鋼橋塔錨固區(qū)鋼錨箱應力分析[J].橋梁建設，2015,45（3）：51-56.

[3]李 丹，蘇慶田，吳 沖，等.錨箱式鋼橋塔錨固區(qū)力學性能研究[J].結(jié)構(gòu)工程師，2014,30(1)：63-69．

[4]熊 剛，謝 斌，黃思勇，等.天津保定橋索塔錨固區(qū)鋼錨箱空間分析[J].華中科技大學學報：城市科學版[J].2009,26(4):80-83.

[5]張奇志，尹夏明，鄭舟軍．鋼錨梁索塔錨固區(qū)受力機理分析與約束方式比選[J]．橋梁建設，2012,42(6)：50-56.

U443.38

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1009-7716（2017）03-0078-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.023

2017-02-09

孟續(xù)東（1984-），男，河北磁縣人，碩士，工程師，主要從事橋梁設計。