大跨斜拉橋索梁錨固區鋼錨箱傳力機理研究

劉 峰 劉小紅

(武漢市政工程設計研究院有限責任公司 武漢 430050)

隨著正交異性鋼橋面技術的不斷成熟，大跨徑斜拉橋的主梁越來越多地采用流線形扁平鋼箱梁。斜拉橋巨大的索力正是通過斜拉索與鋼箱梁上特殊的錨固連接(索梁錨固區)來進行傳遞的，由于索梁錨固區板件眾多，結構復雜，焊縫縱橫交錯，而巨大的索力又需要在此有限的范圍內擴散到鋼箱梁上，這就導致了索梁錨固區域受力較為集中、應力場復雜，其穩定和疲勞問題突出，往往成為控制結構設計的關鍵構造[1-4]。因此，研究傳力途徑合理、索力傳遞順暢的索梁錨固結構，有助于解決鋼箱梁斜拉橋索梁錨固區在長期靜、動載作用下的的疲勞開裂及強度破壞問題。

目前，我國斜拉橋中最常用的索梁錨固形式主要有以下4種：①錨箱式；②錨管式；③錨拉板式；④耳板式[5]。鋼錨箱式索梁錨固結構由于傳力明確、力線流暢被廣泛應用，相關學者針對斜拉橋索梁錨固區受力規律、疲勞性能展開了大量的研究[6-7]。但是與中小跨度斜拉橋相比，大跨度斜拉橋由于恒載較重的原因，導致鋼錨箱的尺度及作用于鋼錨箱上的索力遠超中小跨徑斜拉橋，掌握如此大的索力的傳遞路徑、擴散過程、影響區域已成為設計大跨度鋼箱斜拉橋的首要任務。

本文以某大跨度鋼箱梁斜拉橋鋼錨箱為研究對象，通過建立鋼箱梁節段有限元模型，分析索力最大處的鋼錨箱受力規律、傳力機理。

1 鋼錨箱結構研究

1.1 鋼錨箱結構構造

某大跨斜拉橋的鋼錨箱結構示意見圖1，主要由錨箱頂板、錨箱底板(N4)、2塊與腹板相連的錨箱承壓板(N1)、錨箱封閉板、錨箱加勁板(N2)及設置在承壓板上的加勁肋組成。承壓板、錨箱底板通過3條焊縫與鋼箱梁腹板相連接，見圖2，索力通過這3條焊縫傳遞到鋼梁腹板上去，進而擴散到整個鋼梁上。

圖1 鋼錨箱結構示意圖

圖2 鋼錨箱與腹板相連的焊縫示意圖

1.2 有限元模型

為研究鋼箱梁鋼錨箱的應力分布及傳力路徑，選取恒載+活載工況下索力最大的鋼錨箱為研究對象，建立有限元分析模型。因結構、荷載關于橋梁中心線對稱，為減小計算規模，建立一半鋼梁模型，鋼梁所有構件均用殼單元模擬，約束左側端點豎向及縱向位移，約束右側豎向位移，最后，在鋼梁中心線所在的平面施加正對稱約束。計算時，將整體模型中提取出來的恒載+活載下的局部模型所對應節段的桿端力(軸力、剪力、彎矩)以集中力、彎矩的方式施加到局部模型的參考節點上，并將最大索力11 206 kN按照錨頭與錨墊板的實際接觸面積換算成均布荷載施加到接觸的圓環范圍內。建立的有限元模型見圖3，整個模型共計2 218 433個節點，2 243 318個單元。

圖3 結構有限元模型

2 鋼錨箱傳力機理分析

鋼錨箱的重要傳力板件包括錨箱承壓板N1、N2，錨箱底板N4和鋼梁錨固區的腹板，一般錨箱承壓板由于受到錨墊板傳來的巨大剪力，應力集中現象顯著，為探究鋼錨箱的傳力機理必須對錨箱承壓板、錨箱墊板的應力分布及其傳力模式進行深入探究。

2.1 鋼錨箱承壓板

圖4給出錨箱承壓板N1、N2的Von Mises應力分布情況。

圖4 鋼錨箱承壓板Von Mises應力分布(單位：MPa)

由圖4可發現，N1、N2 2塊承壓板的受力模式及應力數值相近，N1、N2 兩板均在與錨墊板N4的連接焊縫及焊縫1、2的終點處應力等值線密布、應力數值較大，出現明顯的應力集中現象。現以N2板為例進行分析。圖5a)示出N2承壓板σx方向的正應力，對比圖4b)與圖5a)可知，N2板與錨墊板的連接焊縫附近的Von Mises應力的分布規律與σx方向的應力分布相似，在N2板與錨墊板的連接焊縫處取得極大值，依焊縫2沿著X軸正方向應力值逐漸減小，由此說明，N2板與錨墊板的連接焊縫附近的高應力區域是由錨墊板N3傳來的X方向的壓力造成的，圖5a)中，N2板與錨墊板的連接焊縫附近的高應力區域關于斜拉索位置對稱，應力等值線基本呈半圓形分布，說明索力通過錨墊板后經焊縫2及焊縫3傳遞到錨箱承壓板上時，應力逐漸擴散，趨于均勻。

圖5 N2承壓板應力

N2板在焊縫3及焊縫2的終點角點處的應力雖均出現應力集中現象，但是這兩者的成因稍有不同，圖5b)、c)給出N2承壓板的第一、三主應力，對比圖5b)、c)可以看出，在焊縫3與鋼梁腹板接觸的附近區域，主拉應力等值線密布且數值較大，而在焊縫2終點處的角點位置上無主拉應力，該處主壓應力數值反而較大。分析其成因，造成焊縫3附近主拉應力數值較大的原因主要是由于索面向外傾斜，在焊縫3附近存在Y方向的向外拉扯的分力，錨墊板及承壓板N1、N2的剛度不足，導致焊縫3上發生向外的“撕扯”效應，從而產生較大的主拉應力。焊縫2終點角點處主壓應力數值與Von Mises應力數值及分布情況近似，可推測焊縫2終點處的應力集中主要是由于N2板承擔了經錨墊板傳來的壓力，而N2板的剛度不足，同時發生了沿Y軸的彎曲變形及沿X軸的縱向位移，該主壓應力屬于彎曲壓應力。

2.2 錨下墊板

圖6給出錨墊板的應力分布，承壓板N1、N2及其加勁肋與錨墊板交界處和焊縫3附近應力水平較高，等值線密布，究其原因，主要是因為錨墊板上這幾道焊縫及其相鄰的節點在索力作用下節點位移受到限制，在垂直于錨墊板的壓力荷載下，錨墊板上焊縫節點在壓應力與板的彎曲應力的綜合效應下出現了應力集中，尤其是焊縫3處，由于鋼梁腹板強有力的約束作用。極大地限制了焊縫節點在索力方向的位移，導致焊縫3上Von Mises應力出現極大值。

圖6 錨墊板Von Mises應力分布(單位：MPa)

2.3 鋼梁腹板

圖7分別給出整個箱梁腹板及焊縫3附近的箱梁腹板的Von Mises應力分布情況，焊縫1、2的應力主要集中于焊縫的終點位置處，主要是由于索力經錨墊板傳遞至承壓板1、2時，使承壓板1、2產生繞Y軸的彎曲變形和沿X方向的縱向變形，使得N1、N2板的尖點處在擠壓及彎曲應力的綜合作用下產生應力集中。而焊縫3上的應力集中主要是由于索力經錨墊板傳遞到焊縫3時，其受到沿著X方向的壓力及繞Y軸的偏心彎矩My。焊縫3上側由于有2塊承壓板N1、N2的存在，整體協調變形的能力強，而下側只有小范圍的鋼梁腹板與錨墊板共同承擔焊縫3傳遞的壓力及偏心彎矩，此外，焊縫3下側由于更靠近鋼箱斜腹板，其對焊縫3下側的節點的位移有較強的約束作用，導致焊縫3下側的應力集中現象較上側更為突出。

圖7 箱梁腹板應力分布

3 結論

1) 基于通用有限元分析軟件，以某斜拉橋鋼錨箱為研究對象，建立了鋼梁節段有限元模型，得到了最大索力處鋼錨箱各板件的應力分布規律。

2) 索力先通過錨墊板傳遞至焊縫3然后再傳遞至承壓板1、2，最后經焊縫1、2傳遞至鋼箱梁腹板，然后擴散至整個鋼梁斷面。

3) 索力的傳力途徑。斜拉索→錨墊板→承壓板N1、N2→鋼梁腹板→鋼梁斷面。

4) 承壓板端部尖點處及錨墊板與鋼梁腹板焊接的根部處應力集中明顯，在設計中應引起重視。