鋼錨梁-鋼牛腿組合索塔錨固結構受力性能與設計

王 迪

中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088

1 工程概況

某主橋斜拉索塔端用鋼錨梁錨固，索塔每側塔柱所用鋼錨梁數量統一設為22套，編號為GML1～GML22（按照自下而上的順序依次編號）。鋼牛腿的關鍵作用在于穩定支撐鋼錨梁。結構方面，以上承包、托架板、塔壁預埋鋼板為核心，共同組成鋼牛腿結構體系。以GML22對應索塔錨固節段為探討對象，選取該節段的原因在于其在全橋結構中處于受力最不利的狀態，此時的分析結果更具可靠性與說服力。此外，還考慮到混合連接件，此結構具體由焊釘群和PBL剪力鍵群兩部分構成。

2 有限元模型的創建及驗證

2.1 有限元模型的創建

以錨固結構的構造和尺寸為基本依據，創建殼-梁-實體有限元模型，以探尋在恒載的初始索力作用下，與之相對應的混合剪力連接件所表現出的受力特點[1]。根據錨墊板的結構關系，索力以面荷載的形式加載于該處，參照模型索力作用特性，大小和方向均與之保持一致?；炷恋牧W行為具有類型多樣、機制復雜的特點，常見有壓碎、開裂等形式，立足此類特點，選用的是鋼筋混凝土實體單元模擬的方案[2]。焊釘用有限應變梁單元模擬，PBL剪力鍵開孔鋼板和穿孔鋼筋用彈塑性實體單元模擬。

焊釘、開孔鋼板、穿孔鋼筋的彈性模量依次為2.06×105MPa、2.06×105MPa、2.0×105MPa，屈服強度依次為 369MPa、345MPa、335MPa，極限強度依次為 498MPa、480MPa、480MPa，泊松比均為0.3。前述所提三部分的單軸應力-應變關系具有趨同性，即都呈現為三折線模型。依托于該力學特性關系劃分為兩個部分，并結合各自的特點適配具有可行性的方法，以便做針對性的分析。

其中，上升段從《混凝土結構設計規范（2015年版）》（GB 50010—2010）中提取可行的方法；下降段應用的是Hongnestad應變曲線。單軸抗拉、抗壓強度分別為2.65MPa和32.4MPa，泊松比為0.2。以高精度的方式模擬連續接觸面（指的是混凝土與剪力連接件所形成的），此舉是掌握該連接件受力狀況的重要前提。依托約束方程的形式反映焊釘與混凝土的接觸關系。

2.2 有限元計算結果

基于提高焊釘試驗結果準確性與可觀性的目標，確定其截面實測內力并繪制成圖，用于判斷該力的分布特點。對于豎向剪力，定義其向上和向右均為正值，向下和向左均為負值；對于軸力，向上、向右兩個方向為軸向拉力，向下、向左為軸向壓力。模擬分析的工作難點在于剪力連接件測點數量不足，不利于測試工作的順利開展，因此在模型試驗的基礎上輔以有限元數值分析方法，以達到驗證結果準確性的效果。

從全流程的實際狀況來看，各節段的完整性良好，無鋼-混連接處受損和牛腿壁板大幅度偏位的問題，此方面的表現與有限元計算結果無差異。從焊釘測點的受力特點來看，相較于有限元分析結果，實際的軸力和豎向剪力與之在分布規律方面具有一致性；截面豎向剪力、軸力及PBL剪力鍵穿孔鋼筋應力的共同特性在于其實測值均略大于理論值，但兩者的差異甚微，無明顯的偏差。由此看來，有限元模型計算的結果總體上具有可靠性，可以用于呈現混合剪力連接件的狀態，分析結果具有參考價值。

3 混合剪力連接件的受力分析

3.1 焊釘群的受力分析

受索力和偏向作用的雙重影響，鋼牛腿壁板的穩定性難以得到保證，其結果是出現豎向滑移以及面外變形現象。釘群豎向剪力的分布具有集中性，即在牛腿頂板的焊釘部位；底層焊釘處的剪力值較大，究其原因是與塔壁相對壁板出現大范圍滑移現象有關；布設于牛腿頂板上部的焊釘，其產生的豎向剪力呈現出上部小、下部大的特點，觀察頂板下方索孔寬度內的焊釘可以發現，該部分構件的豎向剪力在分布方面具有明顯的趨同性，即均以馬鞍形分布狀態為主，顯現出較為突出的群釘效應。

頂板上方豎向剪力具有持續增加的變化特點（按照自上而下的順序），頂板下方豎向剪力則普遍呈現出馬鞍形分布的特點。邊、中跨兩側索力的角度存在差異，與此同時，索孔豎向位置也不盡相同，在該基礎條件下，邊、中跨兩部分第8層焊釘的豎向剪力總和的層間變化也存在差異性。

邊、中跨側各列焊釘豎向剪力總和的特點是中間小，向兩側逐步加大；從索力豎向分力的角度來看，則具有邊跨側大于中跨側的特點，此時以邊跨側焊釘群的受力特性較為特殊，該部分所需承受的豎向剪力明顯更大，而中跨側則偏小。焊釘軸力是基于多種受力條件共同產生的結果，主要體現在如下兩方面：一是與索力豎向分力有關，其會對焊釘根部造成影響，可見焊釘有變形現象，此過程中形成軸向拉力；二是與壁板外側變形有關，該部分與塔壁脫離或擠壓，在該形態變化之下形成軸向拉力或壓力作用。

焊釘群軸向拉力在不同部位存在特定的差異，其中以牛腿頂板的焊釘所受力更大，最大達62kN；截面拉應力為163MPa，所處位置為邊跨側壁板中間區域。對于軸向壓力，可見其最大值所對應的位置為牛腿腹板的焊釘處，達29kN；截面壓應力為76MPa，所處位置為邊跨側外側牛腿腹板底緣。無論中跨還是邊跨，各自的焊釘軸力分布特性幾乎一致。另外，在邊跨側索力偏心的影響下會呈現出面外彎矩超過中跨側的情況。

3.2 PBL剪力鍵的受力分析

PBL剪力鍵產生的豎向分力具有一條較為明顯的傳遞路徑，即到達混凝土塔壁處。兩種較為關鍵的方式將使開孔鋼板焊接端產生水平力：一是壁板的豎向面外變形，此時PBL剪力鍵的牛腿頂板結點呈受拉的受力狀態，而觀察其腹板可以發現其結點處于受壓的狀態；二是壁板的橫向面外變形，破壞對象主要為PBL剪力鍵開孔鋼板，易導致其失穩而轉動，由此破壞開孔鋼板的正常受力狀態，呈受拉、受壓同時存在的受力關系。

4 混合剪力連接件的傳力特點

索力豎向分力形成牛腿頂板→混凝土塔壁的傳遞路徑，但兩部分的傳力能力不盡相同，其中邊跨側和中跨側壁板與混凝土間的摩阻特性一致，均承擔7%的力，其他部分則由焊釘群、PBL剪力鍵群共同承擔。從而得知，混合剪力連接件處的豎向力分配特點主要與連接件的抗剪剛度和荷載條件有關[3]。

5 混合剪力連接件傳力的影響因素

立足錨固結構的荷載特點，對混合剪力連接件的豎向力分配機制加以探討。

5.1 塔壁承壓的影響

隨著塔壁豎向壓力的增加，焊釘群與PBL剪力鍵群的作用規律具有較明顯的相似性，各自在傳遞豎向力方面有線性變化的特點。其中，塔壁豎向力從0MPa開始逐步增加，待其達到3.5MPa時，焊釘群傳遞豎向力較前期有減小的變化趨勢，從7.2%減至6%；相比之下，PBL剪力鍵群則增加，由17.6%增加至19.2%；無明顯變化的部分為壁板摩阻承擔的豎向力，其始終維持在15%左右的水平。發現在0～3.5MPa的塔壁豎向壓力變動區間內，混合剪力連接件間力的分配可維持相對穩定的狀態，塔壁豎向壓力的變動對其的作用甚微[4]。

5.2 豎向力的影響

傳遞豎向力的比例具有線性變化特點，具體包含增大和減小兩類細分情況。塔壁豎向力從1000kN加至7000kN后會出現較明顯的轉折，此時焊釘群傳遞豎向力的占比減小，由68.8%減至66.2%；相比之下，PBL剪力鍵群則呈現出相反的變化，比例由15.6%增加至18.3%；無明顯變化的部分為壁板摩阻承擔的豎向力，其始終維持在15%左右的水平。著重考慮的是1000～7000kN的力值區間，在豎向力增加的條件下，就傳遞豎向力而言，焊釘群和PBL剪力鍵群分別呈減小、增大的變化特點，但兩者均不顯著，僅是小幅度的變動[5]。

5.3 面外彎矩的影響

在塔壁豎向壓力恒定5000kN的條件下，彎矩從0kN·m向3000kN·m逐步增大，焊釘群傳遞豎向力由67.3%減至63.5%；PBL剪力鍵群傳遞力由17.5%加至30.8%；側壁摩阻所受豎向力由15.2%減至5.6%。盡管存在面外彎矩作用，但焊釘群傳遞豎向力在全過程中可以維持相對穩定的狀態，其力的占比有所變化，幅度較??；對于PBL剪力鍵群而言，其傳遞力則有增大的變化特點。

6 結束語

綜上所述，文章以有限元計算結果為依據，結合鋼錨梁-鋼牛腿組合索塔錨固結構的受力特性實測結果展開綜合驗證。結果表明，采用殼-梁-實體數值模擬方法所取得的結果具有可靠性，能夠給工作人員提供掌握混合剪力連接件實際特性的渠道，所提方法切實可行，所提內容具有參考價值。