某202m鋼管拱提升錨固結構受力行為分析

中圖分類號：U445.4 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wCcst.2025.04.031

文章編號：1673-4874（2025）04-0109-06

0 引言

錨固結構是橋梁工程中受力復雜的關鍵構件，廣泛應用于斜拉橋，其主要功能是將拉索索力傳遞至索塔，并進一步傳遞至地基。該結構具有荷載大、構造復雜、傳力路徑多樣等特點，對橋梁的結構安全和正常使用具有直接影響1。李小祥以主跨為 2×270 m的三塔斜拉橋黃茅海大橋為研究對象，通過數值計算方法研究了該橋臨時錨固體系的受力特性，提出超大跨徑斜拉橋臨時錨固力計算需考慮結構幾何非線性影響的結論。季娟燕等3以某大跨度雙塔雙索面鋼－混組合梁斜拉橋為背景，采用有限元軟件建立全橋有限元模型及鋼錨箱局部有限元模型，研究斜拉索斷裂情況下索梁錨固結構的應力特性，并進行了參數化分析。劉勇等4以長沙銅靖湘江大橋為背景，建立空間板殼元模型，探討了空間索面鋼桁梁斜拉橋中索桁錨固結構的受力特性。孔令熙[5]研究了主橋為120m跨徑的大跨度簡支下承式鋼箱系桿拱組合體系拱橋（申江南路大治河橋）的吊桿與系梁錨固區的受力情況，采用混合有限元計算方法模擬了錨固區局部的應力分布特性。此外，洪或等6通過數值模擬分析了錨箱式索梁錨固結構在設計索力作用下的應力分布規律及荷載傳遞機理，發現應力集中主要出現在板件開孔邊緣及板件交界處，并指出錨固結構通過支承板與主梁腹板之間的4條連接焊縫以剪力形式傳遞92. 5% 的索力，其索力傳遞效率較傳統鋼錨箱顯著提高。

目前的研究主要聚焦于斜拉橋的錨固結構，而鋼管拱橋多采用支架法或纜索吊裝法施工，通常無須特殊的錨固結構，因此針對鋼管拱橋錨固結構的研究相對較少。然而，錨固結構因其構造復雜、受力集中、局部應力大的特點，成為整個橋梁中至關重要的傳力構件。其關鍵作用在于將巨大的索力有效傳遞至主梁，是設計控制中的核心部位之一。為此，本文針對整體提升施工的鋼管拱，對其提升錨固結構采用有限元法建立計算模型，分析其受力性能。

1依托工程概況

某橋主橋為跨徑260m的下承式鋼管混凝土系桿拱橋，采用“低位拼裝 + 中段拱肋門架法整體提升\"施工工藝，整體提升節段長202m。由于該工程采用整體提升施工，為避免結構在提升過程中出現“弓箭\"效應，設置了臨時系桿與提升索在相鄰位置共同作用。鑒于該區域受力條件較為復雜，為保證結構安全，設計了錨固結構。

1.1 錨固結構構成

該橋的錨固區受吊索和系桿的作用，其中受吊索直接作用的錨固區由三個不同構件組成，分為上綴管、下綴管和連接板，綴管為 ?700mm×16mm 無縫鋼管，連接板為 4200mm×240mm×20mm 鋼板；受系桿直接作用的錨固區由內填高強混凝土的綴管組成，綴管為?700mm×16m m無縫鋼管。弦管材料為Q345q，腹管和綴管材料為Q355c，吊索為1860鋼絞線，吊索和臨時系桿錨固區的其他鋼材為Q345q鋼材。錨固結構由綴管、張拉墊塊和連接加強件組成。每束吊索為 22?15.2mm 的1860鋼絞線，單個塔柱上有兩個前后布置的吊點，前后距離為3m，每個吊點共2束吊索，全橋共8束吊索，每根鋼絞線受到的拉力為10.2t，每束吊索受到的拉力225t。每束臨時系桿為 24? 15.2mm的1860鋼絞線，單側拱肋系桿布置為上下兩層共2束，全橋共4束系桿，每根鋼絞線初拉力為10t，每束張拉力為240t。錨固結構大樣見圖1，兩種錨固結構的橫斷面見圖2。

圖1錨固結構圖

圖2兩種錨固結構橫斷面圖

1.2 錨固結構受力工況

根據工程的特點，將錨固結構的受力分為三種工況（見圖3）：

（1）僅受吊索的拉力。

（2）僅受臨時系桿的拉力。

（3）同時受吊索和臨時系桿的拉力。

圖3錨固結構受力情況示意圖

2.2 邊界條件

該錨固結構的有限元模型各部件之間采用的相互作用方式為：拱肋與綴管采用綁定方式連接，綴管與墊板一采用接觸方式連接，墊板一與墊板二采用綁定方式連接，連接板與綴管采用綁定方式連接。吊索和臨時系桿的加載點采用耦合的方式約束控制點的位移及轉角共6個自由度，拱肋的邊緣采用完全固定約束位移及轉角共6個自由度8。邊界條件如圖5所示。

2錨固結構有限元模型

圖5錨固結構邊界條件示意圖

為研究該鋼管拱中錨固結構的受力特點，針對該結構建立精細化有限元模型。

2.1模型單元

采用有限元軟件ABAQUS對該結構進行建模。該錨固結構模型由上綴管、下綴管、連接板、墊板一和墊板二、拱肋和吊索、臨時系桿組成，各部件均采用實體單元建模，共98340個單元。有限元模型如圖4所示。

圖4錨固結構有限元模型圖

2.3材料參數

在該有限元模型中，鋼材密度 ρ_s 取 7850kg/m³ ，鋼材及鋼絞線的彈性模量 E_s，s 取 2.07×10⁵MPa ，鋼材及鋼絞線泊松比 μ_s 取0.3，混凝土密度 ρ_c 取2 2500kg/m³ ，混凝土彈性模量 E_s，c 取 3.45×10⁴N/mm² ，混凝土泊松比μ_c 取0.2。

3有限元模型計算結果及分析

3.1計算結果

三種受力工況的錨固結構有限元模型見圖 6 以鋼管拱的錨固結構為研究對象，對各受力情況下的錨固結構應力分布情況以及最大值進行分析。

將吊索拉力添加到有限元模型中，得出受吊索拉力的錨固結構應力云圖（見圖7）。由圖7可知，在吊索拉力作用下，該結構大部分區域的應力較為均勻，且數值較小。組合應力最大區域出現在結構中間綴管的底部附近，最大應力值為193.1 MPa ；剪應力最大值出現在鋼管拱與綴管連接處，最大剪應力值為75.61 MPa， 0錨固結構僅受臨時系桿拉力時，錨固結構的應力分布情況與僅受吊索力情況相似，如圖8所示。在系桿拉力作用下，該結構大部分區域的應力較為均勻，且數值較小。組合應力最大區域出現在結構中間綴管的底部附近，最大應力值為183.6MP；剪應力最大值出現在鋼管拱與綴管連接處，最大剪應力值為85.56 MPa。

圖6錨固結構三種受力工況的有限元模型圖

圖7吊索拉力作用下吊索錨固區應力云圖

圖8臨時系桿拉力作用下的錨固結構應力云圖

將吊索拉力和臨時系桿拉力同時添加到有限元模型中，得出錨固結構的應力云圖（見圖9）。由圖9可知，在吊索拉力和臨時系桿拉力同時作用的情況下，錨固結構在拱肋和主管連接處以及綴管與墊板的連接處均出現不同程度的高應力，最大組合應力同樣出現在綴管與墊板的連接處，其值為 232MPa ，最大剪應力為85.56 MPa，。

圖9吊索和臨時系桿拉力同時作用下的錨固結構應力云圖

3.2 細部分析

由圖7至圖9可知，較大的應力主要集中于墊板與綴管的連接處；僅受吊索的拉力、僅受臨時系桿的拉力與同時受吊索和臨時系桿的拉力所計算得到的應力分布情況大致相同，但由于受力不同，導致三種錨固區的應力大小存在區別，各受力情況的最大組合應力分別為：193.1MPa、183.6MPa以及232MPa，結構整體處于安全范圍之內，最大組合應力均出現在綴管與墊板一的連接處。為了清楚表示錨固結構內部應力分布情況，分別選綴管、墊板一和拱肋進行詳細分析。

3.2.1僅受吊索拉力

在吊索拉力作用下，吊索錨固上綴管和墊板一的應力云圖如圖10所示。從圖10（a）上綴管的有限元分析結果來看，整體應力分布較為均勻，僅在上綴管與拱肋和墊板一連接處出現部分較高的應力，上綴管的最大組合應力值出現在綴管底部，其值為193. 1MPa_c 從圖10（b）墊板一的有限元分析結果來看，整體應力分布較為均勻，大部分區域的應力較小，最小應力值為6.05 MPa ，而最大應力出現在結構中心，其值為88.31 MPa 。從綴管與墊板一的應力云圖可以看出，二者交界處的應力水平較高且分布較為復雜，存在明顯的應力集中現象，其質量的優劣直接影響結構的受力性能。應力集中主要是由于與吊索連接處的結構幾何形狀突變，以及該區域承受較大的局部載荷所致。為減小應力集中并確保結構的安全性，可在墊板一下面增設墊板二，作為加厚結構，有效分散應力，降低局部應力集中程度9]。

圖10吊索拉力作用下的錨固結構綴管和墊板一的組合應力云圖

圖11為吊索拉力作用下拱肋上弦桿的組合應力云圖。從圖11可以看出，拱肋上弦桿主體部分應力分布較為均勻，整體結構大部分區域處于安全狀態。然而，在拱肋上弦桿與綴管連接處存在明顯的應力集中現象，最大組合應力達到78.07 MPa 。盡管如此，該應力值未超過材料的屈服強度，說明拱肋及錨固結構在工作狀態下具有良好的可靠性和穩定性。

圖11吊索拉力作用下拱肋上弦桿組合應力云圖

3.2.2僅受臨時系桿拉力

在臨時系桿拉力作用下，系桿錨固下綴管和墊板一的應力云圖如圖12所示。通過分析圖12（a）下綴管的應力云圖可知，綴管的最大組合應力仍出現在綴管與系桿的交接處，但與僅受吊索拉力時相比，最大應力值有所降低，為183.6 MPa 。從圖12（b）墊板一的有限元分析結果來看，應力較大的區域主要分布在墊板一的中部較薄位置，最大組合應力出現在墊板一與臨時系桿的連接處，其值為91.94 MPa ，較僅受吊索拉力時有所增加。此外，墊板一的邊緣也出現了局部應力集中現象，主要是由于邊緣鋒利所致。

圖12臨時系桿拉力作用下的錨固結構下綴管和墊板一組合應力云圖

圖13為臨時系桿拉力作用下拱肋下弦桿的組合應力云圖。由圖13可知，兩個拱肋下弦桿的受力分布具有對稱性，符合結構對稱條件下加載的預期。拱肋下弦桿的最大組合應力為45.98 MPa ，相較于僅承受吊索拉力時有所降低。

圖13臨時系桿拉力作用下的錨固結構拱肋下弦桿組合應力云圖

3.2.3同時受吊索和臨時系桿的拉力

由整體模型計算分析可知，錨固結構同時受吊索力和臨時系桿的拉力時，錨固結構受力最不利。取錨固結構的上下綴管、墊板一和拱肋上下弦桿分別進行分析，詳見圖14、圖15、圖16。

由圖14可知，在最不利受力情況下，錨固結構的上綴管最大組合應力為232 MPa ，較其單獨受力時增加了20. 15% ；下綴管的最大組合應力為 183.4MPa ，與僅受臨時系桿拉力時接近。上下綴管的最大應力均出現在綴管與吊索、系桿的交界處，且應力分布近似對稱，局部區域在與吊索和系桿連接處出現了應力集中現象。

由圖15可知，在最不利受力情況下，吊索錨固上綴管墊板一的最大組合應力為88.08 MPa ，系桿錨固綴管墊板一的最大組合應力為91.84 MPa ，二者的最大組合應力與其單獨受力時基本相近。與僅受吊索拉力時不同，在最不利受力條件下，吊索錨固上綴管墊板一的曲面四角也出現了較大的應力，存在明顯的應力集中現象。此外，應力分布規律與前兩種情況相似，最大組合應力均出現在墊板一的曲面中心位置。

由圖16可知，在最不利受力情況下，拱肋上下弦桿的應力分布呈對稱性，最大應力位置均位于弦桿的內側邊緣。拱肋上弦桿的最大組合應力為73. 92MPa ，下弦桿的最大組合應力為46.52MPa。其中，上弦桿的最大應力值較大，表明受力情況更為不利，且應力集中區域分布范圍較廣；下弦桿的最大應力較小，整體受力較輕，但局部應力集中現象更為明顯。兩者的最大應力均出現在結構邊緣接觸區域，表明這些區域在受力狀態下容易產生應力集中。針對這一現象，可通過優化結構設計、增加過渡圓角或局部加強等措施，降低應力集中風險，提升結構的承載能力。

圖15吊索和臨時系桿拉力同時作用下的錨固結構綴管墊板一組合應力云圖

圖14吊索和臨時系桿的拉力同時作用下錨固結構綴管組合應力云圖

圖16吊索和臨時系桿拉力同時作用下的拱肋弦桿組合應力云圖

4結語

本文以某202m鋼管拱提升段為工程依托，針對其錨固結構，建立有限元模型，分析該錨固結構在三種受力工況下的受力特點，得出以下結論：

（1）各構件的強度均滿足規范要求。（2）錨固結構的最大組合應力值均出現在綴管底部，此處為上綴管與墊板一的連接處，因綴管挖孔后邊緣不夠平滑，使二者連接處出現應力集中。（3）墊板一的最大應力均出現在墊板一的曲面中心處，此處為吊索與墊板的連接處，由于吊索橫截面積較小，且受力較大，導致墊板在此處出現應力集中。（4）拱肋上弦桿的最大組合應力均出現在弦桿內側，且應力對稱分布。為保證錨固結構的安全性和可靠性，提出以下建議：（1）調整錨固結構的幾何形狀，優化曲面過渡，減少局部應力集中。（2）在高應力區域增加局部剛度或加厚結構。（3）優化載荷分布方式，進一步均勻應力分布。

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收稿日期：2025-01-07