青島市墨水河大橋索梁錨固區(qū)受力分析

孫朝輝

(林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司 重慶 401121)

1 工程概況

青島市墨水河大橋主橋?yàn)?×90 m單塔中央雙索面斜拉橋。行車道為雙向六車道，橋梁總寬度為39.5 m。主梁采用鋼箱梁，橋塔采用人字形鋼結(jié)構(gòu)塔，全橋共布置18對斜拉索，按中央雙索面扇形布置，梁上索距為9 m。主橋立面布置見圖1。

圖1 主橋立面布置圖(單位：m)

主梁采用分體式箱形截面，左、右幅鋼箱梁通過間隔布置的聯(lián)系橫梁連接，鋼箱梁總寬39.5 m。鋼箱梁構(gòu)造見圖2。斜拉索錨固在主梁內(nèi)邊腹板外側(cè)，錨點(diǎn)橫向間距為5 m。

圖2 鋼箱梁構(gòu)造

斜拉索與鋼主梁的錨固形式有錨箱式、錨拉板式、耳板式[1]。上述錨固形式各有特點(diǎn)，且均存在大量的工程實(shí)例，但經(jīng)過景觀性、受力性能、施工難易度、養(yǎng)護(hù)便利性、經(jīng)濟(jì)性等方面綜合比較，該橋索梁錨固采用鋼錨箱式連接結(jié)構(gòu)。鋼錨箱構(gòu)造見圖3。鋼錨箱采用Q420qD鋼材。

圖3 鋼錨箱構(gòu)造

斜拉索索力傳遞路徑為：錨墊板→承壓板、上承剪板、下承剪板→鋼箱梁。主梁腹板內(nèi)側(cè)均設(shè)置了補(bǔ)強(qiáng)板，以利于錨固處應(yīng)力合理分散到主梁上[2]。補(bǔ)強(qiáng)板設(shè)置情況為：在承壓板對應(yīng)位置設(shè)斜向補(bǔ)強(qiáng)板、承剪板末端角點(diǎn)處設(shè)置豎向補(bǔ)強(qiáng)板、加密設(shè)置腹板縱向水平加勁肋。通過補(bǔ)強(qiáng)板的設(shè)置，增強(qiáng)腹板局部剛度，在復(fù)雜內(nèi)力作用下減小腹板變形，使錨固區(qū)索力流暢地傳遞給主梁[3]。腹板補(bǔ)強(qiáng)板構(gòu)造見圖4。

圖4 腹板補(bǔ)強(qiáng)板構(gòu)造

斜拉橋斜拉索的巨大索力斜向集中作用于主梁錨固點(diǎn)，索梁錨固結(jié)構(gòu)必須能順利地將索力傳遞給主梁，其為斜拉橋的關(guān)鍵構(gòu)造之一[4]。索梁錨固區(qū)的傳力途徑和受力情況較復(fù)雜，會(huì)出現(xiàn)較大的局部應(yīng)力集中[5-6]。因此有必要對其進(jìn)行局部有限元分析，以確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠[7]。

2 有限元建模

以索力最大的索梁錨固區(qū)及附近梁段為研究對象[8]，建立“梁段+鋼錨箱模型”，各板件采用板殼單元模擬，以考察錨固區(qū)附近鋼箱梁頂板、底板、腹板的受力情況。

以索力最大的鋼錨箱及局部腹板為研究對象，建立“局部鋼錨箱模型”，各板件采用實(shí)體單元模擬，以考察鋼錨箱各部分板件及錨固區(qū)腹板受力情況。

3 梁段+鋼錨箱模型分析

3.1 計(jì)算分析目的

本次計(jì)算的主要目的是分析分體式箱梁在各種荷載作用下，鋼錨箱錨固區(qū)附近鋼箱梁各板件的應(yīng)力狀況。另外，由于本橋?qū)挾容^大，空間效應(yīng)很明顯，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)若選取的縱向長度過短，根據(jù)圣維南原理邊界條件容易干擾構(gòu)件的真實(shí)受力狀況。因此，本模型縱向共選取24 m、3個(gè)錨索區(qū)進(jìn)行分析，選取其中9 m節(jié)段作為主要考察對象。

3.2 有限元模型的建立

利用三維有限元軟件midas FEA，根據(jù)施工圖詳細(xì)建出箱梁的細(xì)部構(gòu)造。鋼箱梁構(gòu)件均采用板單元進(jìn)行模擬。同時(shí)模擬出每個(gè)節(jié)段對應(yīng)的斜拉索，共6根拉索，拉索單元采用桁架單元模擬。取全截面結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。另外，為節(jié)約計(jì)算資源，同時(shí)考慮到鋼錨箱的受力狀況并非該次分析對象，因此鋼錨箱僅考慮承壓板、傳力板2個(gè)主要受力板件，未考慮其上加勁肋。錨箱采用板單元模擬，通過共節(jié)點(diǎn)耦合在一起。承壓板與拉索錨固點(diǎn)按主從節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行連接。有限元模型見圖5。

圖5 梁段+鋼錨箱有限元模型

3.3 邊界條件

根據(jù)本計(jì)算模型中的包含的荷載類型，結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、汽車荷載，在整體計(jì)算模型中提出在這些荷載作用下對應(yīng)的每根索的索力值。將該索力值轉(zhuǎn)化為等效降溫值，施加于本局部分析模型中。具體的索力值及對應(yīng)的等效降溫值見表1。拉索的一端通過節(jié)點(diǎn)耦合于鋼箱梁的鋼錨箱處，另一端固定約束在對應(yīng)的橋塔鋼錨箱位置處。

表1 斜拉索索力等效降溫值

另外，主鋼箱梁兩端同時(shí)承受其余主梁傳來的內(nèi)力荷載，在模型中以等效的位移值來模擬該內(nèi)力邊界條件，兩端等效位移值見表2。

表2 鋼箱梁端面位移約束值

3.4 計(jì)算結(jié)果

為避免兩端邊界條件對計(jì)算結(jié)果的影響，僅提取中間拉索區(qū)附近標(biāo)準(zhǔn)鋼箱梁節(jié)段的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。鋼箱梁錨固區(qū)附近板件在正常使用極限狀態(tài)下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖6。

圖6 正常使用極限狀態(tài)下板件等效應(yīng)力(單位：MPa)

由圖6可見，鋼箱梁頂板最大等效應(yīng)力為142.9 MPa，底板最大等效應(yīng)力為121.8 MPa，腹板最大等效應(yīng)力為229.9 MPa，出現(xiàn)在鋼錨箱角點(diǎn)位置，橫隔板最大等效應(yīng)力為110.1 MPa。說明索力通過鋼錨箱傳遞到鋼箱梁腹板，并逐步擴(kuò)散傳遞到頂?shù)装澹挥捎谥髁翰捎梅煮w式鋼箱梁，頂?shù)装宓刃?yīng)力峰值出現(xiàn)在聯(lián)系橫梁跨中；聯(lián)系橫梁腹板所對應(yīng)的箱室內(nèi)橫隔板比拉索橫隔板的應(yīng)力水平高。

4 局部鋼錨箱模型分析

局部鋼錨箱模型分析采用三維有限元軟件midas FEA建立模型，對斜拉索索梁錨點(diǎn)進(jìn)行分析。計(jì)算模型包括鋼錨箱，部分鋼箱梁頂板、底板、腹板和一個(gè)橫隔板[9]。取最大索力的下錨點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算分析。

錨點(diǎn)荷載取整體桿系計(jì)算中基本組合下最大索力3 700 kN進(jìn)行控制計(jì)算，索力按均布壓力荷載加載，加載位置為錨頭錨圈在錨墊板上的圓環(huán)形投影面。結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖7。

圖7 局部鋼錨箱模型

4.1 不設(shè)腹板局部補(bǔ)強(qiáng)板模型計(jì)算結(jié)果

腹板及錨箱變形、應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖8、圖9。由圖8、圖9可見，在腹板未設(shè)加勁肋的情況下，腹板變形巨大，出現(xiàn)局部失穩(wěn)，構(gòu)件進(jìn)入塑性破壞。因此腹板必須設(shè)置加勁肋及局部補(bǔ)強(qiáng)板來增強(qiáng)主梁腹板的剛度，以保證結(jié)構(gòu)安全。

圖8 錨固區(qū)位移(單位：mm)

圖9 錨固區(qū)等效應(yīng)力(單位：MPa)

4.2 設(shè)腹板局部補(bǔ)強(qiáng)板模型計(jì)算結(jié)果

腹板及錨箱變形計(jì)算結(jié)果見圖10，腹板及錨箱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖11。由圖10、圖11可見，在腹板設(shè)置局部補(bǔ)強(qiáng)板的情況下，鋼錨箱最大變形為1.5 mm，錨固區(qū)腹板最大變形為1.4 mm；鋼錨箱最大等效應(yīng)力為146.6 MPa，最大值出現(xiàn)在上傳力板角點(diǎn)處，網(wǎng)格占比非常小，且最大等效應(yīng)力小于鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值420 MPa。

圖10 錨固區(qū)位移(單位：mm)

圖11 腹板及錨箱應(yīng)力(單位：MPa)

5 結(jié)語

鋼錨箱將巨大索力傳遞給主梁，是關(guān)鍵的受力構(gòu)件，鋼箱梁索梁錨固區(qū)為空間受力構(gòu)件，力學(xué)行為復(fù)雜，因此有必要對鋼錨箱及對應(yīng)的主梁梁段進(jìn)行空間有限元計(jì)算分析。通過計(jì)算分析得到如下結(jié)論。

1) 梁段+鋼錨箱模型計(jì)算結(jié)果表明，索力通過鋼錨箱傳遞到鋼箱梁腹板，并逐步擴(kuò)散傳遞到頂、底板；由于主梁采用分體式鋼箱梁，頂、底板等效應(yīng)力峰值出現(xiàn)在聯(lián)系橫梁跨中；聯(lián)系橫梁腹板所對應(yīng)的箱室內(nèi)橫隔板比拉索橫隔板的應(yīng)力水平高。

2) 索梁錨固區(qū)腹板必須設(shè)置加勁肋及局部補(bǔ)強(qiáng)板來增強(qiáng)主梁腹板的剛度，以保證結(jié)構(gòu)安全。通過設(shè)置腹板局部補(bǔ)強(qiáng)板，錨固區(qū)腹板變形和應(yīng)力均可以滿足受力要求。

3) 該橋?yàn)橹醒肟臻g索面斜拉橋，主梁為分體式鋼箱梁，鋼錨箱錨固于內(nèi)邊腹板外側(cè)，斜拉索張拉施工和后期養(yǎng)護(hù)均較方便。此類鋼錨箱設(shè)計(jì)可為類似工程提供借鑒。