跨径斜拉桥索塔锚固区钢锚梁受力性能研究

跨径斜拉桥索塔锚固区钢锚梁受力性能研究

闫寅虎

中国水利水电第四工程局有限公司 青海西宁市 810007

摘要：文章结合银洲湖特大桥索塔锚固区域钢锚梁结构受力复杂的情况，在ANSYS有限元软件的协助下构建了精度较高的有限元模型，并分析了最高索力作用下的空间受力性质及特征。获得如下的试验分析结果：钢锚梁等效应力最大值为228.3MPa，出现在承压板N3和承剪板交汇位置，各个板件应力均低于许可应力值，符合相关规范设定的标准要求。空间非对称性是拉索索力的典型特征，其对钢锚梁结构受力情况形成的影响偏大，故而在具体设计施工阶段应予以该类问题一定重视。

关键词：斜拉桥；索塔锚固区；有限元模型；受力性能分析

为满足社会经济发展需求，斜拉桥跨径不断拓展，拉索强度储备量也有相应增长，为保证工程建设的安全性，索力对索塔锚固区持有的结构性能提出更严格的要求。钢锚梁具有造价成本低、传力过程安稳及施工较快捷等诸多优势，目前是国内众多大跨径斜拉桥施工阶段常用的锚固区结构类型^[1]。钢锚梁受力性能复杂早已被诸多学者所证实，进行相应的模拟试验有益于更科学的指导施工作业，鉴于此，本文利用有限元软件建设模型，对钢锚梁的受力性能展开分析。

1、工程概况

银洲湖特大桥是中山至开平高速公路一个控制性节点工程，其主航道桥采用双塔双索面混合式结合梁斜拉桥，半漂浮体系，跨径组合为56.8+64.8+66.4+530+66.4+64.8+56.8m，主桥总长903m，主梁梁顶总宽度36m，中跨采用PK箱组合梁，边跨为混凝土梁。其中索塔采用A型桥塔，辅助墩及过渡墩采用箱型墩。主塔采用C50混凝土，塔高201.1m（见图1）^[2]。中上塔柱选用抗风性能好、造型美观的五边型断面，至中塔柱位置渐变为六边形断面，横向尺寸由5.6m 渐变至8.5m，纵向尺寸由7.8m 渐变到11.5m。塔柱设置3 道横梁，其中上、中横梁分别采用5.2×7.2m 、4.8×7.2m 的空心矩形断面，壁厚竖向为0.6m，横向为0.8m；下横梁采用8.0×9.0m 的空心矩形断面，壁厚为1.0m。

图1 主塔一般构造图

2、建设有限元模型

2.1设定材料参数

本工程项目选定的各个板材均使用Q370qD已知本钢材许可应力值为318.3MPa，钢材的弹性模量为2.1×10⁵MPa，容量取值为7850㎏/m³，泊松比是0.3。

2.2荷载与边界条件

在本桥梁工程中，经测算后发现，ES20、EC20号索对应的索力最大，于成桥状态下对应的索力值依次为5 881. 4kN、5623. 6kN，本文拟定以ES20、EC20号索相对应的钢锚梁为建模对象，作出如下分析。

使用高强螺栓将钢锚梁底板两端和钢牛腿衔接在一起，经观测发现钢牛腿局部钢板镶嵌到混凝土塔壁，和塔壁共同组建整体结构，基于以上情况，笔者拟定使用节点固定法拟化

钢锚梁和牛腿间的螺栓衔接状况。

横桥方向挡块截面呈“王”字型，主要承载横桥水平力，被焊接于预埋塔壁的钢板上。故而，需要对加劲板与底板部分节点所在的横桥向位移作出一定束缚，以完成对横桥向挡块的模拟。

2.3搭建模型

在空间整体坐标系内，斜拉桥中跨、边跨拉索安装方位及角度存在一定差异，故而在构建模型过程中，不仅要建设整体坐标系，还需搭建左、右锚室对应的局部坐标系。

采用ANSYS有限元软件构建钢锚梁有限元模型，该模型共计包括105970个节点，单元数为153615。单元以及材料参数具体见表1，模型见图2^[3]。

表1 板件建模主要参数统计表

图2 钢锚梁的有限元模型

3、受力性能分析

3.1应力分布特点

本工程建设期间需采用的钢锚梁板件数目繁多且形式体现出多样化特征，这增加了钢锚梁板件在索力作用下应力集中情况发生的概率，不利于维持结构的初有形态。空间不对称性是锚室及索力的主要特征，其也会对钢锚梁的受力性能形成一定程度的影响，故而应科学分析钢锚梁空间上的应力分布状况，探析锚固区的内力分布规律

^[4]。

对本试验研究获得的钢锚梁等效力云图进行分析，不难看出钢锚梁应力水平整体偏低，并且在锚板、承压板等诸多个板件上应力分布状况体现出明显的复杂性特征，和其他板件相比较，锚板、承压板以及腹板持有的应力水平相对较高。承压、承重板的交汇边界及承剪板与腹板的交界微端是应力主要集中区。

索力经钢锚梁板被传导至砼塔壁的过程中会快速扩散，这会促使传力渠道上涉及的各个板件应力逐渐被削弱。为对钢锚梁的索力传递规律有一定感知，笔者测算了钢锚梁不同板件持有的最大等效应力。其中锚板N1、N2最大等效应力依次为82MPa、79MPa，承压板N3、N4分别为227MPa、220MPa，承剪板N5、N6、N7、N8依次为193MPa、217MPa、209MPa、212MPa，腹板N10、N11依次为155MPa、167MPa，底板N11为121MPa。对不同板件的应力进行分析，发现其呈现出递减的规律，这符合索力传导期间应力扩散的特征。钢锚梁等效应力最大值为228.3MPa，出现在承压板N3和承剪板交汇位置，明显低于许可应力值，与相关规范设定的要求相吻合。综合以上钢锚梁的空间应力分布特征信息，认为所设计的钢锚梁结构科学、传力顺快。

3.2板件交界位置的受力分析

图3中ABCD、HIJK分别是左、右锚室承剪板分别与腹板的交界位置，临近靠近承压板是始端，远离承压板被定义为末端^[5]。

图3 钢锚梁主要板件交界位置图示

对左、右锚室承剪板分别与腹板的交界位置的应力图进行分析，发现应力曲线呈“U”型，应力最小值出现在起始端，伴随承压板间距的拓展，应力出现些许降低，伴随距离逐渐延展，应力快速提高，于末端有快速增大的趋向，最大值时142.3MPa.

同侧锚室的四条接缝位置对应的应力关系曲线较为相似，这提示承剪板可能较为均等的吧索力传导至腹板，所设计的结构科学、合理。

承压、剪力板交汇位置的应力曲线呈“W”型，承压、剪力、加劲三板交汇位置的应力达到峰值，为198.6MPa，应力集中现象较为显著。越临近承压板重点，应力越小，在承压板中点位置应力值有些许提升。针对传递给承压板的索力，承剪板是主要的承担对象，并且通常会集中在加劲板周边。

结束语：

本工程项目采用的钢锚梁各个板件均低于规范要求的许可应力值（318.3MPa），最大等效应力值为228.3MPa，出现于承压板N3和承剪板交汇位置，钢锚梁有结构设计科学合理、传力过程顺畅等优势。索力持有的空间非对称性会对钢锚梁结构受力状况形成一定影响，这是造成左、右锚室受力无法完全一致的主要原因，这提示着项目使用采用钢锚梁期间应予以该类问题一定重视。

参考文献：

[1]华晓勇.钢桥塔索辅梁桥锚固区新型钢锚箱受力分析[J].公路,2020,65(01):75-81.

[2]黄运林,刘明虎,刘玉擎,等.斜拉桥组合索-塔锚固箱格式连接受力机理试验研究[J].公路交通科技,2019,36(11):68-74.

[3]魏明光.舟山港岛大桥主缆锚固区设计及受力性能分析[J].上海公路,2019(03):18-21+45+3.

[4]高恩全,沈旭东.小干大桥组合索塔锚固区受力特点研究[J].城市道桥与防洪,2017(09):74-77+87+11.

[5]李可,卢志芳,邓晓光.大跨径斜拉桥索塔锚固区钢锚梁受力性能分析[J].建材世界,2017,38(04):108-112.