某鋼錨箱式錨固結構彈塑性力學性能分析

彭 濤

(湖南聯智科技股份有限公司, 湖南 長沙 410200)

鋼錨箱式錨固結構以其整體性好、剛度大等優點，在大跨徑斜拉橋和鋼拱橋中廣泛應用。目前我國已經開展多項關于鋼錨箱的研究，主要研究成果包括鋼錨箱的傳力機理、各板件受力特性、外荷載產生附加彎矩對鋼錨箱及鄰近區域鋼箱梁的受力影響等[1-2]。考慮到鋼錨箱式錨固結構板件眾多，受力較為復雜，須建立較為精細的空間有限元模型進行仿真分析。本文以某鋼拱橋鋼錨箱為研究對象，建立局部精細化有限元模型，分析其彈塑性力學行為，研究成果可為鋼錨箱破壞機理研究提供參考。

1 工程概況

某大跨徑鋼拱橋橋跨布置為(50+160+50)m，橫向分為2條拱肋，截面形式為單箱單室鋼箱梁截面，兩片拱肋之間通過設置橫撐和斜撐形成整體，橋面為格構式結構，系梁為鋼箱梁，橫梁為工字梁(見圖1)。取系梁錨固區鋼錨箱為研究對象。鋼錨箱分為錨墊板、加勁肋、支撐板、承壓板、反力加勁肋、系梁腹板及加勁板等主要構件，其中支撐板、加勁板、承壓板等主要受力板件采用Q420鋼材，其余板件采用Q345鋼材，板件之間通過焊接形成整體，加勁板上設置錨固螺栓。鋼錨箱平面構造見圖2。

圖1 鋼拱橋橋型布置圖(單位： m)

圖2 鋼錨箱平面構造示意圖(單位： cm)

2 有限元模擬

根據設計圖紙，使用有限元軟件建立鋼錨箱空間有限元模型，由于結構的對稱性，取半結構進行計算分析。錨墊板厚度較大，故采用Solid45三維實體單元模擬，其余部分板件較薄，使用Shell181殼單元模擬，2種不同的單元之間通過MPC184單元綁定接觸[3-4]，采用六面體映射法劃分網格。按照多折線模型考慮構件塑性階段的非線性行為(見圖3)。在進行有限元建模前，對鋼錨箱進行了加載破壞試驗，結合試驗結果及規范，該鋼錨箱中Q345鋼材屈服應力取383 MPa，極限應力取530 MPa；Q420鋼材屈服應力取435 MPa，極限應力取570 MPa。有限元模型見圖4。

圖3 彈塑性多折線模型

圖4 有限元模型半結構示意圖

3 有限元結果分析

3.1 彈性階段鋼錨箱主要板件受力特征

圖5給出了設計荷載下鋼錨箱支撐板沿荷載方向的正應力分布結果，計算結果表明：在設計荷載作用下，支撐板沿荷載方向壓應力最大達180 MPa，表現出較為明顯的面外受彎受力特點，垂直荷載方向兩端應力較為集中，近錨頭位置最大拉應力為70 MPa，遠錨頭位置最大壓應力為170 MPa。

圖6給出了內外側加勁板及承壓板在設計荷載下沿荷載方向和垂直荷載方向正應力分布，計算結果表明：沿荷載方向內外側加勁板錨下區域的正應力水平普遍較高，達-160～-200 MPa，相對受拉側出現10～20 MPa拉應力，其余位置應力分布較為均勻；垂直于荷載方向上正應力值較小，但是在錨下位置存在明顯的面外彎曲現象；承壓板周邊由于板件較多，表現出復雜的面外受彎，正應力峰值達260 MPa。

a)沿荷載方向支撐板正應力

b) 垂直荷載方向支撐板正應力

a) 內側加勁板沿荷載方向正應力

b)內側加勁板垂直荷載方向正應力

c) 外側加勁板沿荷載方向正應力

d) 外側加勁板垂直荷載方向正應力

e)承壓板沿荷載方向正應力

f)承壓板垂直荷載方向正應力

3.2 極限狀態鋼錨箱主要板件受力特征

圖7給出了鋼錨箱支撐板的Von Mises應力分布及塑性應變發展結果，計算結果表明：在極限狀態下，支撐板大部分區域處于屈服狀態，鋼錨箱腹板焊縫區域(紅色部分)大部分達到了屈服應力，屈服應力分布區域超過50%以上，塑性應變也在該區域迅速擴展，鋼錨箱破壞主要是因為支撐板與腹板焊縫區域屈服造成的。

a) 支撐板Von Mises應力分布(單位：MPa)

b) 支撐板塑性應變分布

圖8給出了內外側加勁板及承壓板在極限狀態下構件Von Mises應力分布及塑性應變發展結果，計算結果表明：內外側加勁板錨下區域附近達到屈服狀態，內側加勁板屈服區域較外側加勁板稍大，其余位置基本上處于彈性階段，塑性應變也僅在錨下較小區域內發展;當鋼錨箱達到極限狀態時，內外側承壓板的塑性區域較小，塑性應變維持在較低水平，加勁板屈服不是導致鋼錨箱破壞的主要因素；由圖8e、圖8f可知，承壓板由于與多塊板件焊接，受力較為復雜，特別是承壓板與腹板焊接位置，基本處于完全屈服狀態，塑性應變也發展較快，當鋼錨箱破壞時，承壓板與腹板焊接位置達到塑性應變極限。

a) 內側加勁板Von Mises應力分布(單位：MPa)

b) 內側加勁板塑性應變分布

c) 外側加勁板Von Mises應力分布(單位： MPa)

d) 外側加勁板塑性應變分布

e) 承壓板Von Mises應力分布(單位： MPa)

f) 承壓板塑性應變分布

4 結論

以某中承式鋼拱橋系梁錨固區鋼錨箱為研究對象，使用有限元軟件建立局部空間有限元模型，開展了彈性及塑性狀態下鋼錨箱主要板件力學行為特征分析，得到以下結論：

1)彈性狀態下，鋼錨箱支撐板位置沿荷載分布方向最大正應力為-180 MPa，受力形式為面外受彎，垂直荷載方向錨下區域有小范圍應力集中，最大正應力為-170 MPa。

2)彈性狀態下，鋼錨箱內外側加勁板正應力分布為-160 MPa～-200 MPa，相對受拉側出現拉應力，但是數值較小，承壓板應力較為復雜，且應力水平較高，最大正應力達260 MPa。

3)極限狀態下，鋼錨箱支撐板大部分區域達到屈服應力，塑性應變快速發展；同時承壓板與腹板焊接位置也達到屈服狀態，內外側加勁板僅錨下區域位置出現屈服，但塑性應變水平較低。