自錨式懸索橋主纜錨固區(qū)設(shè)計(jì)分析

周 丹，王苓力

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

0 引言

自錨式懸索橋不同于傳統(tǒng)的地錨式懸索橋，它不需要龐大的錨碇，而是把主纜錨固于主梁梁端，主纜的水平分力由主梁承擔(dān)，而豎向力由梁端壓重平衡或通過錨栓傳遞到下部墩臺(tái)[1-2]。這種水平分力通過主纜錨固區(qū)逐漸傳遞到加勁梁全截面，因此，主纜錨固區(qū)是自錨式懸索橋的關(guān)鍵傳力區(qū)域，其構(gòu)造合理、傳力順暢是設(shè)計(jì)的基本要求[3-4]。

1 工程背景

東塔跨渾河橋位于沈陽市區(qū)東南部，渾河城市段上游，工程北起沈水東路，南至渾南祝科街，全長1460m。主橋?yàn)槲蹇邕B續(xù)鋼桁架橋塔自錨式懸索橋，跨徑布置為40+90+220+90+40=480m。橋梁中跨為220m，主纜垂跨比為1/5.5，主纜在橫橋向的間距為36m。主梁采用整幅鋼箱梁。鋼箱梁梁高在有索區(qū)為3m，配重跨為2.3m，頂板為正交異性板結(jié)構(gòu)。主纜通過焊接在鋼梁上的錨板錨固于主梁上，錨固處梁高局部加厚為4.8m。立面圖見圖1。

圖1 主橋立面圖

主塔在洪水位以上采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，以下為鋼筋混凝土塔座。橋面以上塔高45.05m，主塔中心橫橋向間距為36m，塔座為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在塔柱橋面位置設(shè)置行人觀光臺(tái)，在橋面以下設(shè)鋼牛腿焊接在塔柱上，塔頂設(shè)置裝飾造型。

自錨式懸索橋因其輕盈的構(gòu)造特點(diǎn)，多在市政工程中應(yīng)用。但是由于自錨式懸索橋的傳力途徑特點(diǎn)，使得巨大的主纜力經(jīng)由錨固系統(tǒng)傳遞至主梁，如何保證錨固系統(tǒng)具有可靠的局部受力性能以及主梁如何將巨大的拉力均勻有效地?cái)U(kuò)散出去是自錨式懸索橋的關(guān)鍵。

2 錨固區(qū)及鋼錨箱構(gòu)造

主梁錨固系統(tǒng)是最先承受拉力構(gòu)件，如何保證錨下的局部承壓，是首先需要考慮的問題。參考國內(nèi)外自錨式懸索橋構(gòu)造經(jīng)驗(yàn)，擬采用鑄鋼承壓體與格構(gòu)式鋼結(jié)構(gòu)組合的結(jié)構(gòu)形式。主纜的索股錨固在梁內(nèi)垂直于主纜軸線的鑄鋼承壓體上，兩塊內(nèi)側(cè)縱腹板上開孔使鑄鋼承壓體穿過。具有足夠抗壓強(qiáng)度的鑄鋼承壓體可以將拉力經(jīng)由腹板傳遞給主梁。

主纜在梁內(nèi)的錨固構(gòu)造采用周邊與鑄鋼體熔透焊接。

主梁錨固區(qū)域全長20m，包括兩側(cè)過渡區(qū)段和主纜錨固梁段。兩側(cè)過渡區(qū)段為主橋鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)段向錨固段的過渡段。兩側(cè)過渡段長度分別為5m，梁高為3～4.8m。主纜的錨固梁段長10m，梁高為4.8m。主纜錨固區(qū)位于邊跨和錨跨之間的墩頂附近，與鋼主梁有機(jī)結(jié)合。

主橋鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)段順橋向采用4道縱腹板，分別為內(nèi)側(cè)腹板與外側(cè)腹板；主橋鋼箱梁錨固區(qū)梁段順橋向采用了10道縱腹板，分別為內(nèi)、外側(cè)腹板、錨固區(qū)腹板及外封板；主梁錨固段增加了下層底板，外側(cè)腹板及錨固區(qū)腹板逐步加厚。具體構(gòu)造見主橋鋼箱梁橫斷面圖。

圖2 橫斷面圖

3 主梁錨固區(qū)計(jì)算分析

3.1 模型建立

為了保證錨固區(qū)板件厚度滿足規(guī)范要求，現(xiàn)對(duì)擬設(shè)置的錨固區(qū)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行計(jì)算。建模范圍為主纜錨固區(qū)所在梁段26m范圍。按照設(shè)計(jì)錨固區(qū)構(gòu)造用MIDAS板單元模型，進(jìn)行模型建立。

根據(jù)建模區(qū)段的實(shí)際受力情況，在梁底施加豎向約束和橫橋向約束，在右側(cè)截面施加水平方向約束。錨固區(qū)模型見圖3。在主體模型中提取最不利工況下的主纜拉力，將主纜拉力換算成法向壓應(yīng)力以均布荷載施加在錨墊板上。

圖3 錨固區(qū)模型

最不利主纜拉力分別考慮以下荷載：

(1)永久作用:自重(包括主纜、吊索、索夾、主纜防護(hù)、橋塔、鋼箱梁、橋面系等的自重)；基礎(chǔ)變位(主塔下基礎(chǔ)為-20mm，其余各橋墩基礎(chǔ)為-5mm)。

(2)可變作用：溫度作用(合龍溫度為5～15℃，橋塔鋼結(jié)構(gòu)段、鋼梁、主纜、吊桿體系升溫采用+41℃，體系降溫采用-58℃；橋塔混凝土段體系升溫采用+29℃，體系降溫采用-38℃)；汽車、人群、風(fēng)荷載作用按規(guī)范執(zhí)行。

3.2 錨固區(qū)受力分析

總體計(jì)算中考慮了幾何非線性和初應(yīng)力的影響；主纜、吊索的設(shè)計(jì)除考慮直接應(yīng)力外，還計(jì)算了主纜二次應(yīng)力，并根據(jù)不同的工況進(jìn)行應(yīng)力組合；主纜線形計(jì)算時(shí)，主纜自重考慮為沿纜長方向的均布荷載，索夾、吊索、鋼箱梁自重及二期恒載均按吊點(diǎn)集中力考慮。

局部分析結(jié)果均已包含以上作用力的影響。

3.2.1主纜單獨(dú)工況應(yīng)力情況

為了了解主纜拉力對(duì)整個(gè)錨固區(qū)的影響，分析主纜拉力單獨(dú)工況作用下影響效應(yīng)結(jié)果。

頂板順橋向拉應(yīng)力為12.8MPa(拉)，壓應(yīng)力為28.9MPa；底板順橋向拉應(yīng)力為16.0MPa，壓應(yīng)力為33.8MPa。從頂?shù)装迨芰η闆r看，主纜拉索錨后區(qū)(錨固區(qū)無拉索側(cè)為錨后)板件受拉；錨前區(qū)域受壓，應(yīng)力傳遞擴(kuò)散均勻，板件受力合理。

腹板最大主拉應(yīng)力為45MPa，最小主壓應(yīng)力為42.6MPa。從圖4可以看出，臨近錨固區(qū)兩側(cè)增設(shè)的腹板承受了較大的主拉應(yīng)力，隨著離開主纜拉力點(diǎn)距離增大，應(yīng)力不斷向頂?shù)装濉⑼鈧?cè)腹板擴(kuò)散。

圖4 腹板主拉應(yīng)力云圖

橫隔板最大主拉應(yīng)力98.1MPa，最小主壓應(yīng)力-80.1MPa。從圖5可以看出，橫隔板拉應(yīng)力隨著橫隔板遠(yuǎn)離錨固區(qū)，不斷擴(kuò)大。最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在錨固區(qū)上格構(gòu)板與橫隔板相交位置。

圖5 橫隔板主拉應(yīng)力云圖

從各板件應(yīng)力結(jié)果及應(yīng)力擴(kuò)散情況可以看出，主纜力在錨固區(qū)各構(gòu)件間傳遞路徑清晰，且傳力過程順暢。

3.2.2錨固區(qū)鋼格構(gòu)基本組合應(yīng)力情況

錨固區(qū)鋼格構(gòu)順橋向拉應(yīng)力為19.8MPa，壓應(yīng)力為56.4MPa；橫橋向拉應(yīng)力為13.6MPa，壓應(yīng)力為65.5MPa；

錨固區(qū)最大主拉應(yīng)力為161.9MPa，出現(xiàn)在鑄鋼承壓體主纜拉力受力中心位置；最大主壓應(yīng)力為84.2MPa，出現(xiàn)在鋼格構(gòu)板內(nèi)側(cè)上緣板件。見圖6。

圖6 鋼格構(gòu)主拉應(yīng)力云圖

從錨固區(qū)局部應(yīng)力狀況可以看出，主纜拉力沿鋼格構(gòu)向周圍板件擴(kuò)散，各鋼板應(yīng)力水平均在規(guī)范范圍內(nèi)，板件尺寸合理，安全儲(chǔ)備較高。

4 結(jié)論

通過對(duì)東塔懸索斜拉橋的有限元分析，得出以下結(jié)論：

(1)錨固區(qū)段梁高局部加厚，增加雙層底板，不僅提高了錨固區(qū)局部的剛度，亦擴(kuò)大了主纜拉力的傳力路徑，減小應(yīng)力集中。

(2)錨固區(qū)梁段腹板由標(biāo)準(zhǔn)段4道腹板，增加至10道縱腹，分別為內(nèi)、外側(cè)腹板、錨固區(qū)腹板及外封板。主纜錨墊板兩側(cè)的腹板承擔(dān)了大部分的主纜拉力，是主要傳力構(gòu)件，設(shè)置合理的腹板厚度及合理布置加勁肋保證腹板的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。

(3)主纜在梁內(nèi)的錨固構(gòu)造采用鑄鋼承壓體與格構(gòu)式鋼結(jié)構(gòu)組合的結(jié)構(gòu)形式。鑄鋼承壓構(gòu)件由工廠軋制成型，可以解決錨下的局部承壓問題。鋼格構(gòu)的設(shè)置即可以加強(qiáng)錨固區(qū)受力的整體性，提高錨固區(qū)的剛度。

(4)從主纜力單工況應(yīng)力情況可以得出，主纜力在錨固區(qū)各構(gòu)件間傳遞路徑清晰，且傳力過程順暢。從基本組合應(yīng)力情況可以看出，各鋼板應(yīng)力水平均在規(guī)范范圍內(nèi)，板件尺寸合理，安全儲(chǔ)備較高。