斜拉索主梁錨固合理構造設計

田 波，宋路兵

（四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都610041）

0 引言

宜賓南溪（仙源）長江大橋跨越長江，按雙向四車道公路橋設計，預留六車道通車能力，兩側設置人行道，設計荷載為公路—Ⅰ級、人群荷載2.5kN/m2。

主橋采用五跨280m+572m+（72.5+63+53.5）m雙塔雙索面非對稱混合梁斜拉橋。主跨及北岸邊跨主梁采用混合梁，南岸邊跨主梁采用混凝土主梁，北岸邊中跨比0.49，南岸邊中跨比0.33。組合梁主梁段斜拉索間距13.5m，混凝土主梁斜拉索間距9.0m，鋼混過渡段設置于南岸主塔中跨側。橋面全寬30.5m（含拉索空間），主梁中心高度3.5m。大橋橋孔布置見圖1[1-5]。

圖1 大橋橋孔布置圖（單位：m）

1 索梁錨固構造的選擇

本項目鋼主梁采用工字鋼主梁+混凝土橋面板的組合梁結構。斜拉索與鋼主梁之間的錨固連接是設計的關鍵問題。索梁錨固結構是一個局部應力大、傳力復雜的區域,它要將從斜拉索傳遞來的巨大索力分散到主梁截面。設計時應盡量使力線流暢,避免出現過大的應力集中現象。否則,在長期動載和靜載作用下,可能出現疲勞或強度破壞。

目前,組合梁斜拉橋中常見的索梁錨固型式主要有以下3種:鋼錨箱式(承壓式)連接;耳板式(銷鉸式)連接;錨拉板連接。常見的索梁錨固型式見圖2。

圖2 常見的索梁錨固型式圖

根據對上述三類錨固形式總體分析如下：

（1）從傳力行為來看：錨箱式連接是通過錨箱底板、承壓板將索力傳遞給鋼梁腹板;耳板式連接是直接由耳板將索力傳遞到鋼梁腹板;錨拉板式連接是通過錨拉板將索力傳遞給鋼梁。都能實現拉索力到主梁的傳力。

（2）從傳力構造來看：錨箱式連接板件較多,構造最復雜,而耳板式連接構造最簡單,錨拉板連接介于上述兩者之間。

（3）從材料來看：錨箱式、錨拉板連接均不需要特殊鋼材,對鋼材的性能沒有特別的要求,而耳板式連接要求耳板鋼材具有很高的屈服強度。

（4）各種索梁錨固連接形式都會出現不同程度的應力集中現象,出現應力集中的部位有所不同;錨箱式連接以腹板的應力集中最為嚴重;耳板式連接往往在銷孔壁形成了巨大的局部壓力;而錨拉板式連接往往在錨拉板焊縫處出現應力集中。

綜合分析，鋼錨箱式連接構造復雜,往往要求更高的制造工藝和制造成本,同時運營過程中的檢查、維修、較為不便；耳板式(銷鉸式)連接構造較為簡單，但索力較大時對耳板開孔處和銷軸受力要求高，運營期易出現疲勞開裂；綜合而言錨拉板式連接構造更加適宜于本項目的索梁錨固構造。

2 錨拉板合理構造

針對錨拉板的構造設計初步擬定了兩種構造方案。方案一采用后錨板與索套管焊接接，與錨拉板不連接，索力通過索套管傳遞至錨拉板后再傳遞至主梁。方案二采用采用后錨板與索套管、錨拉板均連接，索力直接由錨拉板傳遞至主梁。兩類錨固點構造細節見圖3。

圖3 兩類錨固點構造細節圖

針對上述兩種錨拉板構造方案開展計算分析，主要針對錨拉板各部位的受力和應力集中情況進行研究。

采用有限元分析軟件Ansys對兩類的錨拉板構造進行受力分析。控制索力根據大橋總體計算結果，取用值為8700kN。

有限元模型的全局坐標系以錨拉板中線與鋼主梁頂板的交點為坐標原點，以順橋向為X軸，橫橋向為Y軸，以豎直方向為Z軸（向上為正）。為考慮鋼主梁邊界條件的影響，取錨拉板間距范圍內的主梁與錨拉板連接，主梁兩端固結，將計算索力換算為均布壓力，施加在錨墊板上。考慮到錨固區域應力集中嚴重，該模型進行了材料非線性和結構非線性分析，所有鋼結構板件均采用Soild45單元模擬。通過計算分析得到：

（1）結構整體受力性能：方案一整個結構中應力較大的區域主要在錨拉板中間孔洞區域，最大應力發生在斜拉索錨固區域，拉板倒角及與錨管相交處，出現明顯的應力集中；方案二整個結構中應力較大的區域主要在拉板與錨管的連接區域和錨墊板與拉板之間的連接區域，兩處均出現較大應力集中，最大應力的發生位置與錨墊板板厚有關，在與方案一同等板厚條件下，最大應力發生在錨墊板與拉板之間的連接區域。兩類錨拉板整體受力見圖4。

圖4 兩類錨拉板整體受力圖

（2）錨固區域的受力狀況：方案一出現明顯應力集中現象，圓弧倒角及與鋼管相交區域的最大應力達到鋼材屈服強度，最大塑性應變5.0×10-3。拉板、錨墊板、鋼套管整體應力不大，為120～200MPa。方案二錨墊板與拉板焊接，拉板與錨管的連接區域及錨墊板與拉板的連接區域均出現明顯的應力集中現象，兩處的最大應力均達到鋼材屈服強度，最大塑性應變發生在錨墊板與拉板的連接區域，為1.0×10-3，拉板、錨墊板、鋼套管整體應力基本與方案一相當，為120～200MPa。兩類錨拉板塑性應變分布見圖5。

圖5 兩類錨拉板塑性應變分布圖

（3）面外受力情況：方案一受力明確，錨墊板、拉板及鋼管均為面內受力，拉板與鋼管之間的焊縫承受沿焊縫方向的剪力。方案二錨墊板與拉板焊接，受焊縫約束，錨墊板在連接處存在明顯面外受力，特別是連接構造局部開孔處面外受力造成嚴重應力集中現象，并出現明顯的塑性應變，連接焊縫承受垂直于焊縫的剪力和彎矩。方案二面外受力見圖6。

圖6 方案二面外受力圖

通過對兩類錨拉板的構造進行結構受力分析可知：方案二錨墊板與拉板、鋼管均連接共同分攤了索力，將應力集中區域分為兩塊，一定程度上減小了應力集中和最大塑性應變。但從鋼結構細節構造來看，方案二在方案一的基礎上，增加了錨墊板與拉板的焊接構造。錨墊板板厚通常為60～80mm，錨墊板局部開孔后與拉板焊接的工作量和質量控制難度大，且焊后處理較難，錨墊板與拉板連接細節由于應力集中更易出現疲勞開裂。方案一結構受力更加明確，加工制造難度小，存在的應力集中分布于拉板圓弧倒角及與鋼管相交區域，可通過焊后處理消除殘余應力，推薦采用方案一的錨拉板構造設計。

錨拉板構造分上、中、下三部分。上部錨拉板的兩側焊于錨管外側,下部直接用焊縫與主梁上翼緣頂面焊連,中部除了需安裝錨具外,尚需連接上、下兩部分,為了補償開孔部分對錨拉板截面的削弱,以及增強其橫向的剛度,在錨拉板的兩側焊接了加勁板。錨板與索套管直接焊接連接。錨拉板與錨管、加勁肋、主梁上翼板,以及主梁上翼板與主梁腹板的連接都是至關重要的傳力焊縫,在制造過程中要求焊縫全熔透,并經過嚴格的探傷檢查，焊后進行消除焊接殘余應力處理。由于主梁上翼板受板厚方向的拉伸,因此對鋼板有正向（Z向）性能的要求，保證鋼板厚度方向的強度和焊縫抗拉伸和抗疲勞的性能。錨拉板斷面見圖7、圖8。

圖7 錨拉板立面圖

圖8 錨拉板斷面詳圖

3 錨拉板的焊接處理

由于錨拉板結構構造復雜，易出現應力集中，針對鋼材的焊接進行了如下技術要求：

（1）焊后磨修

焊腳尺寸、焊波或余高超出規定上限值的焊縫及小于1mm且超差的咬邊應修磨勻順。所有表面的修磨均應沿主要受力方向進行，使磨痕平行于主要受力方向。

（2）焊后殘余應力的消除

采用超聲波沖擊方法減小和消除焊接殘余應力。并對關鍵焊縫處選取包括母材處的應力測點進行沖擊前后殘余應力測試。構件制作過程中，需要對錨拉板連接部關鍵焊縫進行超聲波沖擊，并選取典型應力點進行沖擊前后應力測試，確保沖擊工藝效果。沖擊焊縫：沖擊部位包括焊址、溶合區、母材5mm寬熱影響區。在焊縫母材熱影響區域（距焊縫100mm左右），沖擊后控制其最大拉應力。

實際加工過程中，通過上述兩項措施的實施，對錨拉板的焊縫的處理，有效的降低焊縫區殘余應力約30%，對于降低應力集中和防止焊縫疲勞開裂起到積極的促進作用。

4 結語

（1）宜賓南溪（仙源）長江大橋斜拉索與鋼主梁之間的錨固連接，充分考慮的結構受力特點和安全性進行合理位置選擇，合理科學。

（2）通過數值模擬分析，對錨拉板的的結構構造細節進行了充分驗證，指導了錨拉板的構造設計。

（3）通過焊接工藝評定和相關的焊接試驗驗證，有效控制了錨拉板復雜鋼結構的受力，提高了結構的安全性。