外掛式空間拉索錨箱受力性能分析與優化

丁 亮

安徽省交通控股集團有限公司 安徽 合肥 230088

斜拉橋斜拉索與主梁的錨固結構是保證主梁承受的荷載能通過拉索傳遞給橋塔的關鍵構造之一[1]。斜拉索與鋼主梁的常用錨固形式有錨箱式、錨拉板式、耳板式等。索梁鋼錨箱式錨固區需承受斜拉索的巨大集中力。此外，由于錨箱位于主梁腹板側面，二者間通過焊縫連接，集中力偏心造成的面外彎矩也會對錨固區主梁腹板受力造成一定影響。因此，斜拉橋索梁錨固區鋼錨箱受力及構造復雜，一般需通過專項研究確定其受力性能，開展構造優化。

大跨徑鋼箱梁或鋼箱組合梁斜拉橋的鋼錨箱局部受力已有較多相關研究，相關研究方法大體有數值分析和試驗研究2種方式。呂文舒等[2]通過Ansys局部有限元模型對某鋼箱梁斜拉橋鋼錨箱的受力性能開展了分析計算，并對錨箱局部構件進行了尺寸優化以改善應力集中現象。袁瑞等[3]以金沙江特大橋為背景，采用Midas FEA軟件研究了鋼箱梁錨箱主要受力板件及連接處主梁腹板的應力狀況，以確定合理的板件厚度，并探討了設置補強鋼板對錨固局部應力分布的改善作用。葉建龍等[4]也采用Ansys軟件分析了鰲江特大橋鋼箱梁錨箱錨固區的受力特性，研究了調整板件厚度及調整索面傾角2種優化措施的效果。段政等[5]對某獨塔單索面斜拉橋的鋼錨箱開展了仿真分析，明確了其應力分布規律及傳力方式。劉振標等[6]針對鐵路混合箱梁斜拉橋的荷載特點，提出了一種新型雙挑式索梁鋼錨箱，通過數值分析研究了這種新型鋼錨箱形式的受力特性，并通過足尺模型試驗驗證了其疲勞性能。李昶等[7]結合有限元計算，通過模型疲勞試驗，研究了低溫運營環境下黑龍江公路大橋索梁錨固區的應力分布及疲勞性能。

上述研究均基于實際工程，通過數值分析研究了鋼箱梁斜拉橋索梁錨固區采用鋼錨箱時的受力情況，但對于中小跨徑斜拉橋而言，從經濟性角度出發，其主梁常采用鋼板組合梁，尤其對于運輸條件受限的地區，例如山區環境下，鋼板組合梁更便于運輸和安裝[8-9]。而目前鋼板組合梁斜拉橋的索梁鋼錨箱研究較少，有必要對其鋼錨箱局部受力性能及優化措施開展進一步研究。

1 背景工程概況

蕪黃高速上的徽水河大橋跨越G205國道和徽水河，跨徑布置為（48＋80＋40） m，采用鋼板組合梁低塔斜拉橋，塔墩梁固結體系，如圖1所示。單幅橋標準橫斷面布置為0.5 m（防撞護欄）＋11.25 m（行車道）＋0.5 m（防撞護欄）＝12.25 m。

圖1 徽水河大橋總體布置圖（單位：cm）

徽水河大橋主梁采用Q345qD雙工字形直腹板斷面，橫向間距11.75 m，標準高度為1.5 m，在塔墩梁固結處加高到2.0 m。預制混凝土橋面板全寬12.25 m，采用0.25 m的等厚板，支承在由鋼主梁及橫梁組成的梁格體系上，與鋼梁采用剪力釘連接。

橋塔采用H形外傾橋塔，斜拉索橫向單排布置，梁上索距7.8 m，塔上索距1.0 m。斜拉索為空間三維布置，與3個坐標平面均成一定夾角，受其影響，錨固結構的構造與受力均較為復雜。

徽水河大橋部分斜拉索斜交角度較小，若拉索與主梁采用錨拉板進行錨固，則錨拉板尺寸較長，在增加用鋼量的同時也影響外觀。因此，綜合考慮，索梁之間采用外掛式鋼錨箱錨固。

2 鋼錨箱局部有限元分析模型

2.1 鋼錨箱構造設計及受力特點分析

鋼板組合梁斜拉橋的索梁錨固區直接承受來自拉索的巨大索力，鋼錨箱板件較多，構造復雜，錨固區域焊縫密集且沿空間各個方向分布。鋼錨箱制作與安裝均需要考慮到與各個平面所成角度，且不同的拉索位置處角度不同，從而制造尺寸及定位參數均不一致，對制造精度要求較高。結合錨箱構造可分析索力從錨箱到主梁的傳力途徑。斜拉索索力通過錨頭作用在錨墊板N3上，錨墊板下有承壓板N6，進而傳遞給抗剪板（錨箱頂板N1及底板N2），大部分索力通過錨墊板及抗剪板與主梁腹板之間的焊縫，傳遞給主梁。在承壓板與抗剪板間有加勁板N5，2塊抗剪板間有支承板N4，錨管N8穿過錨箱，通過蓋板N7上的圓孔穿出。蓋板N7固定錨管，兼起封閉和防水的作用。

從上述分析可知，鋼錨箱頂板、底板及錨下承壓板與主梁連接處的焊縫是主要傳力焊縫，起到將索力安全平順地傳遞給主梁的作用。因此，有限元分析中應重點關注這3條焊縫對應位置處，鋼錨箱板件及主梁腹板的受力狀況。

2.2 有限元模型建立

選取受力最大的邊跨5號斜拉索鋼錨箱，采用大型通用有限元計算軟件Ansys建立其局部分析模型。模型總長為4.9 m，縱向范圍從邊跨5號拉索定位點向塔側3.9 m到拉索定位點遠離塔側1 m，橫向建立了1/2的計算模型，并在對稱面上施加對稱邊界。其中，混凝土橋面板采用SOLID95單元，鋼主梁、鋼橫梁及鋼錨箱采用SHELL63單元。鋼梁和混凝土橋面板之間采用共節點連接。模型邊界按最不利受力情形考慮，模型近塔側的端面按固結約束，模型遠塔側的端面不施加約束（圖2）。

圖2 有限元模型示意

由于主要研究鋼錨箱及其與主梁連接處的受力情況，因此計算荷載僅考慮索力的作用。根據采用Midas Civil程序建立的整體桿系計算模型，提取基本組合下邊跨5號拉索的索力，為2 984.6 kN。將該索力按照實際接觸面積轉化為錨頭壓力，以面荷載的形式作用在錨墊板上。

3 鋼錨箱受力分析結果

3.1 鋼錨箱變形結果及分析

由于斜拉索為空間拉索，索力在橫橋向有指向主梁外側的分量，使錨箱遠塔側（錨墊板端）向主梁外側產生橫橋向位移，錨箱近塔側產生向主梁內側的橫橋向位移，見圖3，錨箱底板與主梁腹板連接處會發生向內鼓出的位移，最大橫向位移為2.4 mm。

圖3 錨固區橫向變形云圖（單位：mm）

3.2 鋼錨箱應力結果及分析

最大索力作用下，鋼錨箱錨固區等效應力見圖4，鋼錨箱N2板（錨箱底板）、N1板（錨箱頂板）與腹板連接處應力較大，超過了材料設計強度（270 MPa），N3板（錨墊板）與腹板連接處也有局部應力集中。而錨箱本身的應力水平較低，基本在120 MPa以下。主梁腹板除連接位置局部受錨箱影響外，大部分區域總體應力較小。

圖4 錨固區等效應力云圖（單位：MPa）

考慮到鋼錨箱錨固區受力復雜，除關注其總體應力分布情況外，還應對各主要受力板件的受力狀況進行進一步分析。忽略板件連接處角點的局部應力集中，對各主要受力板件的受力狀況進行進一步分析，見表1。

表1 各主要受力板件應力結果

從表1可看出，鋼錨箱主要受力板件包括錨墊板、抗剪板等，等效應力峰值均在材料設計強度內，安全儲備良好。但主梁腹板與錨箱連接處局部應力超限，即使忽略板件連接的局部點位，腹板仍有小部分區域應力大大超出材料設計強度。鑒于板殼有限元對于板件間連接的模擬難以體現真實狀況，因此應力集中處的應力峰值僅作為參考，不能代表實際情況下的應力。但其反映的應力分布規律和傳力趨勢應當是準確的。因此，需對連接處構造開展優化，以使錨箱向腹板傳力更為平順，應力過渡更為合理。

4 鋼錨箱構造優化與對比分析

4.1 構造優化措施

根據上述計算分析結果，鋼錨箱自身受力較小，但索力從錨箱向主梁腹板傳遞時，主要傳力焊縫對應位置處主梁腹板應力較大，角部位置由于橫向變形較大，局部應力集中明顯。基于上述受力特點，鋼錨箱構造優化可以從增加腹板抵抗橫向變形的剛度、減弱錨箱連接板向腹板傳遞的橫向變形2個角度出發，采取增設豎向加勁肋、對錨箱底板進行裁切倒角、增加錨固區腹板厚度等構造優化措施，對索梁錨固區受力進行改善。

1）錨箱自身應力較小，而錨箱頂板、底板及錨墊板與腹板連接處，由于索力的水平分量，均存在不同程度的腹板鼓出現象，從而產生了應力集中。因此，可以在N1板（錨箱頂板）、N2板（錨箱底板）、N3板（錨墊板）與主梁腹板連接處各增設1道豎向加勁肋。加勁肋尺寸與主梁豎向加勁肋保持一致，即取寬度200 mm，厚度18 mm。

2）考慮到鋼錨箱底板N2與腹板連接處橫向位移最大，此處橫向鼓出效應最為明顯，應力集中現象也最為突出，同時N2板長度較長，其上端外側區域應力較小，因此，可采用對N2板進行裁切倒角的方式，減小其剛度，以減小此處橫向位移，進一步控制應力集中。

3）由于應力超限區域主要為腹板與錨箱連接處，因此可以將錨固區局部腹板厚度從16 mm增加到20 mm，以削減應力峰值。

4.2 優化措施對比分析

為比較上述3種構造優化措施的效果，以錨固區應力集中處的應力峰值及橫向鼓出效應的最大橫橋向位移為基準，通過與原方案的對比，分析3種構造優化措施對錨固區橫向變形及應力峰值的減小作用，如表2所示。表中，方案一為增設豎向加勁肋，方案二為對錨箱底板N2裁切倒角，方案三為增加錨固區腹板厚度。

表2 不同構造優化措施效果對比

從表2中可以看出，3種構造優化措施中，以在腹板與錨箱連接處增設豎向加勁肋的效果最為顯著，其次是增加錨固區腹板厚度，對錨箱底板裁切倒角也有一定改善效果。這是因為在連接處設置的加勁肋可以有效增強腹板面外剛度，提高腹板抵抗索力導致的橫向變形的能力。

4.3 優化后錨固區受力計算結果

綜合采取上述3種構造優化措施后，主梁腹板的橫向鼓出效應仍以錨箱底板與腹板連接處最為顯著，但錨固區面外橫向位移明顯降低，最大橫向變形由2.4 mm降低到了0.65 mm，降幅72.8%。

優化后錨固區等效應力見圖5，鋼錨箱自身應力變化不大，但錨箱與腹板連接處的應力有了較大改善，應力集中的范圍和數值均明顯減小，軟件計算得到的應力峰值由1 440 MPa降低到380 MPa，降幅73.6%。只有板件連接的局部角隅點位仍存在應力集中，考慮有限元模型對連接處模擬的局限，該角點部位應力集中可以忽略。錨固區總體應力水平在210 MPa以下，處于安全范圍以內。

圖5 優化后錨固區等效應力云圖（單位：MPa）

5 結語

1）使用階段最大索力作用下，錨箱本身應力水平較低，基本在120 MPa以下；錨箱與腹板連接處應力較大，超過了材料設計強度。

2）由于拉索為空間三維布置，索力的水平分量對錨箱有橫橋向向外拉扯的作用，使得錨箱頂板、底板、錨墊板與腹板連接的角點處產生腹板局部鼓出現象，從而在這些部位導致了局部應力集中。

3）可以采取增設豎向加勁肋、對錨箱底板N2進行裁切倒角、增加錨固區腹板厚度等措施，對錨固區構造進行優化。其中，在腹板與錨箱連接處增設豎向加勁肋的方式對改善錨固區應力集中的效果最為明顯。

4）綜合采取上述優化措施后，鋼錨箱與腹板連接處的應力集中現象得到了有效控制，應力峰值與應力集中范圍均明顯減小。優化后僅局部角點存在應力集中，錨固區整體受力在安全范圍以內。