青海某地湟水河大橋鋼錨箱優(yōu)化設(shè)計(jì)

豆　飛，李　偉，范佐銀

（1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710000；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

1　項(xiàng)目概況

青海省海東市樂(lè)都區(qū)大地灣村湟水河大橋工程位于樂(lè)都區(qū)大地灣村西緣，采用一跨130 m下承式提籃鋼箱拱疊合梁橋，橋梁全長(zhǎng)141.0 m，橋?qū)?6 m，橋面中心梁高3.0 m，吊桿間距8.0 m，一字式橋臺(tái)，1.5 m鉆孔灌注樁。拱橋主梁為等截面鋼-混凝土疊合梁結(jié)構(gòu)，全高3 m，全寬36 m。為主縱梁（閉口邊箱梁）、中橫梁、端橫梁、小縱梁組成的雙主梁梁格體系，縱梁每8 m一個(gè)節(jié)段，每間隔4 m設(shè)置一道橫梁，每?jī)傻罊M梁之間設(shè)置兩道小縱梁。吊桿與主縱梁連接處采用鋼錨箱形式，鋼材材質(zhì)采用Q345qD。橋型總體布置和橋梁橫斷面如圖1和圖2所示。

圖1　橋型總體布置圖（單位：mm）

圖2　橋梁橫斷面圖（單位：mm）

2　錨箱構(gòu)造

全橋共設(shè)兩片梯形斷面主縱梁，中心距26.00 m，高約 2.50 m;頂板寬約 1.87 m，厚 24.00 mm;底板寬約2.72 m，厚20.00 mm;腹板厚16.00 mm。主縱梁每2.00 m設(shè)置一道橫隔板，分別與橫梁位置相對(duì)應(yīng)，除吊桿位置處對(duì)應(yīng)橫隔板厚為30.00 mm外，其余橫隔板厚度均為16.00 mm。鋼錨箱細(xì)部構(gòu)造見(jiàn)圖3，主要板件細(xì)部尺寸見(jiàn)表1。

3　傳力機(jī)理

吊桿索穿過(guò)承壓板和錨墊板孔，直接作用在錨墊板上，首先將吊桿力傳給主要受力桿件TM 1和TM 2上，通過(guò)兩條主要受力焊縫傳給橫隔板[1]，最后作用在主縱梁腹板上。鋼錨箱構(gòu)件受力簡(jiǎn)潔明確，符合設(shè)計(jì)要求。

圖3　鋼錨箱細(xì)部構(gòu)造（單位：mm）

表1　主要板件細(xì)部尺寸

4　有限元模型的建立

4.1　有限元模型

根據(jù)圣維南原理，為了減小主縱梁梁段長(zhǎng)度對(duì)吊桿錨固位置產(chǎn)生的影響，選取長(zhǎng)10 m梁段（一般大于3倍梁高）作為研究對(duì)象。利用大型有限元程序Ansys進(jìn)行計(jì)算分析，該有限元模型中主縱梁和鋼錨箱均采用板殼單元模擬，已考慮人孔加勁，未考慮過(guò)焊孔。計(jì)算模型拱劃分為45 702個(gè)單元，43 640個(gè)節(jié)點(diǎn)。鋼錨箱局部模型及網(wǎng)格劃分如圖4和圖5所示。

圖4　優(yōu)化前鋼錨箱殼單元展示

圖5　優(yōu)化前鋼錨箱網(wǎng)格劃分

鋼板采用Q345qD，密度 78.5 kN/m3，彈性模量2.10×108 kN/m2，泊松比 0.3。

4.2　荷載工況

根據(jù)全橋整體計(jì)算結(jié)果，邊吊桿承受拉力最大，故選取邊吊桿位置對(duì)應(yīng)的鋼錨箱構(gòu)造為研究對(duì)象[2]。其吊桿力如表2所示。

表2　荷載工況　kN

4.3　邊界條件

（1）在吊桿索力作用下，鋼錨箱承壓板和錨墊板之間屬于非線性接觸分析問(wèn)題，但是兩者摩擦力較大，一般不容易產(chǎn)生滑動(dòng)，并且在實(shí)際設(shè)計(jì)中將錨墊板與鋼錨箱承壓板焊接。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，采用等效板厚原理，將承壓板和錨墊板等效為一塊具有相同抗彎剛度的等厚板。吊桿力環(huán)形接觸面積為：

（2）根據(jù)圣維南原理，本模型所取主縱梁梁段長(zhǎng)10 m，在距吊桿對(duì)應(yīng)橫隔板左右5 m截面上固端約束。

4.4　各工況下應(yīng)力結(jié)果

4.4.1工況一（正常工況）作用下

該橋吊桿采用雙吊桿形式，一方面考慮吊桿張拉空間需要，另一方面雙吊桿作為安全儲(chǔ)備之用。為詳細(xì)掌握吊桿處加勁板、承錨板和橫隔板應(yīng)力分布情況，對(duì)其進(jìn)行有限元分析，各構(gòu)件應(yīng)力云圖如圖6～9所示。

圖6　正常工況下TM1加勁板應(yīng)力分布（單位：kPa）

圖8　正常工況下TM3承錨板應(yīng)力分布（單位：kPa）

由圖6～9可知，TM 1加勁板應(yīng)力沿橫隔板對(duì)稱分布，吊桿作用位置應(yīng)力平均為53.4 MPa，Von Mises應(yīng)力最大值為67.3 MPa；TM 2加勁板應(yīng)力分布與TM 1加勁板規(guī)律相同，吊桿作用位置應(yīng)力平均為 70.1 MPa，Von Mises應(yīng)力最大值為 89.4 MPa；TM 3承錨板在與橫隔板相交位置處出現(xiàn)應(yīng)力集中，Von Mises應(yīng)力值最大為96.4 MPa，才開(kāi)孔位置周圍平均應(yīng)力約為75.5 MPa；在吊桿處橫隔板應(yīng)力分布圖中在加勁板TM 1和TM 2與橫隔板相交位置處的應(yīng)力較大，但最大值為59.6 MPa。由此可以得出，在雙吊桿正常使用工況下，該鋼錨箱各構(gòu)件的Von Mises應(yīng)力均滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2015）（以下簡(jiǎn)稱為《規(guī)范》）要求。

圖9　正常工況下橫隔板應(yīng)力分布（單位：kPa）

4.4.2工況二（斷索工況）作用下

為了保證斷索工況下橋梁鋼錨箱能夠承受荷載，對(duì)主要受力構(gòu)件進(jìn)行了有限元分析，根據(jù)各構(gòu)件應(yīng)力云分布情況判斷鋼錨箱設(shè)計(jì)是否合理。在斷索力作用下，各構(gòu)件應(yīng)力云圖如圖10～13所示。

圖10　斷索力作用下的TM1加勁板應(yīng)力分布（單位：kPa）

圖11　斷索力作用下的TM2加勁板應(yīng)力分布（單位：kPa）

由圖10～13可以看出，在斷索力作用下，加勁板TM 1和TM 2發(fā)生了傾斜，板左右應(yīng)力分布不對(duì)稱，且有效應(yīng)力值較雙吊桿形式均有增大，尤其是TM 1加勁板最大應(yīng)力達(dá)到了200～373 MPa，超出了《規(guī)范》設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求；另外在TM 3承錨板開(kāi)孔處出現(xiàn)的最大應(yīng)力為216.5 MPa；橫隔板平均應(yīng)力約為121 MPa，但加勁板與橫隔板相交位置處出現(xiàn)了嚴(yán)重應(yīng)力集中，遠(yuǎn)超過(guò)《規(guī)范》容許應(yīng)力要求。通過(guò)以上分析說(shuō)明，該鋼錨箱在斷索情況下不滿足設(shè)計(jì)要求，橫隔板局部應(yīng)力過(guò)大。

圖12　斷索力作用下的TM3承錨板應(yīng)力分布（單位：kPa）

圖13　斷索力作用下的橫隔板應(yīng)力分布（單位：kPa）

4.5　鋼錨箱構(gòu)造優(yōu)化

為了保證鋼錨箱在斷索工況下滿足設(shè)計(jì)要求，采用3種加強(qiáng)措施來(lái)優(yōu)化鋼錨箱構(gòu)造。采用措施1、2后橫隔板的應(yīng)力分布情況如圖14、圖15所示。

圖14　采用措施1后橫隔板應(yīng)力分布（單位：kPa）

4.5.1 增加吊桿處橫隔板厚度（措施1）

橫隔板厚度由30 mm變?yōu)?0 mm時(shí)，由圖13和圖14對(duì)比可以看出，橫隔板平均應(yīng)力從121 MPa減小為79 MPa左右。在此措施下，橫隔板最大集中應(yīng)力雖有減小，但還是遠(yuǎn)超出《規(guī)范》要求。

圖15　采用措施2后橫隔板的應(yīng)力分布（單位：kPa）

圖16　鋼錨箱殼單元展示

圖17　鋼錨箱網(wǎng)格劃分

4.5.2調(diào)整人孔圈板厚度及尺寸（措施2）

通過(guò)調(diào)整人孔圈板厚度可以加強(qiáng)橫隔板抗彎剛度，當(dāng)圈板厚度由10 mm變?yōu)?0 mm時(shí)，對(duì)比圖13和圖15可以看出，采用該措施前后的應(yīng)力基本沒(méi)有變化，說(shuō)明改變?nèi)丝兹Π搴穸葘?duì)橫隔板抗彎剛度幾乎沒(méi)有貢獻(xiàn)。

4.5.3優(yōu)化橫隔板加勁尺寸（措施3）

在分析中沒(méi)有考慮橫隔板過(guò)焊孔影響。模型共分為54 730個(gè)單元，49 875個(gè)節(jié)點(diǎn)。錨固區(qū)局部單元如圖16，鋼錨箱網(wǎng)格劃分如圖17所示。鋼板采用Q345qD，其密度為78.5 kN/m3，彈性模量2.10×108 kN/m2，泊松比 0.3。

在橫隔板兩側(cè)設(shè)置加勁措施，加勁板TM 4尺寸為2 068 mm×300 mm×25 mm，橫隔板對(duì)稱加勁。各構(gòu)件應(yīng)力分布見(jiàn)圖18～21。

與鋼錨箱各構(gòu)件在斷索情況下的應(yīng)力結(jié)果比較后發(fā)現(xiàn)，橫隔板應(yīng)力變化幅度最大。加勁板與橫隔板連接交點(diǎn)區(qū)域應(yīng)力集中大幅減小，Von Mises應(yīng)力最大值為306 MPa，平均應(yīng)力分布從121 MPa降為35.6 MPa，有效地改變了吊桿處橫隔板應(yīng)力分布情況。加勁板TM 1、TM 2和承錨板應(yīng)力雖沒(méi)有較大變化，但是比橫隔板加勁前應(yīng)力分布均勻，整體變形受力能力強(qiáng)，能夠有效保證斷索力傳給橫隔板。

圖18　采用措施3后TM1加勁板的應(yīng)力分布（單位：kPa）

圖19　采用措施3后TM2加勁板的應(yīng)力分布（單位：kPa）

圖20　采用措施3后TM3承錨板的應(yīng)力分布（單位；kPa）

圖21　采用措施3后橫隔板的應(yīng)力分布（單位：kPa）

4.6　鋼錨箱主要受力板件各路徑應(yīng)力分布情況

在以往的鋼錨箱設(shè)計(jì)中，一般常定性判斷吊桿力通過(guò)受力焊縫以剪力形式傳遞到主縱梁橫隔板上，但是這不能準(zhǔn)確反映各板件傳力路徑[4-6]。為了能夠定量說(shuō)明該鋼錨箱兩條主要受力焊縫1和焊縫2（見(jiàn)圖3）的應(yīng)力分布情況，將加勁板TM 1和TM 2對(duì)應(yīng)受力焊縫沿與橫隔板相交路徑的應(yīng)力分布情況示于圖22、圖23（說(shuō)明：沿焊縫1長(zhǎng)度定義為路徑A，沿焊縫2長(zhǎng)度定義為路徑B）。

圖22　TM1板路徑A上應(yīng)力分布（單位：kPa）

圖23　TM2板路徑B上應(yīng)力分布

從圖22、圖23可以看出，在正常使用工況下，焊縫1和焊縫2剪應(yīng)力沿其長(zhǎng)度方向呈“馬鞍形”分布[7]，在焊縫兩端出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，但是焊縫中間段應(yīng)力分布較平穩(wěn)，承受了大部分剪力。由此說(shuō)明錨墊板的作用不是分擔(dān)吊桿力，而是將吊桿力傳給加勁板TM 1和TM 2。吊桿力在焊縫1和焊縫2的分配上與焊縫長(zhǎng)度沒(méi)有明顯的正比關(guān)系，但根據(jù)圖3鋼錨箱細(xì)部構(gòu)造圖可以看到焊縫1比焊縫2短，所以焊縫1的平均剪應(yīng)力比焊縫2小。

5　結(jié)論

（1）采用雙吊桿形式可以增大橋梁安全儲(chǔ)備，但在正常使用工況和斷索工況下鋼錨箱應(yīng)力分布差異較大。斷索工況下會(huì)出現(xiàn)異常應(yīng)力集中現(xiàn)象，此時(shí)必須進(jìn)行局部加強(qiáng)。

（2）對(duì)比3種加強(qiáng)措施后發(fā)現(xiàn)，采用橫隔板加勁方案效果較好，能夠有效改善吊桿處橫隔板應(yīng)力分布情況。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，橫隔板在斷索工況下的平均分布應(yīng)力為35.6 MPa，Von Mises應(yīng)力最大值為306 MPa，屬于局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（3）加勁板TM 1和TM 2對(duì)應(yīng)的焊縫1和焊縫2剪應(yīng)力沿其長(zhǎng)度方向呈“馬鞍形”分布，大部分吊桿力通過(guò)焊縫中間部位承受，是受力的關(guān)鍵部位，保證焊縫長(zhǎng)度是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。焊縫兩端剪應(yīng)力變化較大，出現(xiàn)應(yīng)力集中，需要控制應(yīng)力大小。

（4）鋼錨墊板的作用是將吊桿力傳遞給加勁板TM 1和TM 2，保證其局部承壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求即可。