钢—混叠合梁拱桥索梁锚固区合理应力状态参数

李文龙 孙建渊

(同济大学桥梁工程系，上海 200092)

1 概述

钢—混叠合梁拱桥以其外形美观、结构合理而在设计中越来越多地被采用，其吊杆与主梁之间的索梁锚固区则是该类桥梁设计中的重点。索梁锚固区利用吊杆将梁自重荷载和其所承担的外荷载传到拱肋上。在巨大的集中荷载作用下，索梁锚固区的构造形式和应力状态复杂，桥梁设计时应将其作为关键环节予以分析。

拱桥吊杆与主梁的连接与锚固形式包括耳板、锚拉板、锚管和锚箱四种［1］。锚箱式连接通过锚固块以焊接或栓接的形式与主梁相连，并将吊杆锚固于锚固块上。为确保吊杆索力合理传递到主梁上，保证索梁锚固区应力状态合乎规范规定，钢锚箱的钢板应采用合理的板厚规格。以兰州某钢—混叠合梁拱桥为例，选择整体计算情况中处于最不利状况的索梁锚固区段，用ANSYS建立合适的有限元分析模型，将各钢板的板厚作为参数，通过对结构进行比较计算，分析不同钢板的板厚对锚固区合理应力状态的影响。

2 锚固区构造与有限元分析模型

2.1 索梁锚固区

索梁锚固区采用钢锚箱的形式，是拱桥中关键的受力结构，同时把索力传递给主梁。钢锚箱在吊杆方向利用焊缝将吊杆与钢锚箱连接，将索力清晰地传给主梁［2］。组成钢锚箱的钢板包括横隔板、承压板MJ1、锚固板MJ2和吊索导管(见图1)。为了保证索梁锚固区的吊索索力合理传递到主梁上，钢锚箱各组成板件应采用合理板厚规格。本文主要研究各板件厚度对索梁锚固区合理应力状态的影响，并对下列六种情况进行计算比较，见表1。

图1 索梁锚固区钢锚箱构造图

表1 用于分析的计算方案 mm

2.2 有限元分析模型

为探索索梁锚固区的应力分布状态，采用基于数值方法的有限元软件，截取整体计算情况中处于最不利状况的索梁锚固区段，并基于圣维南原理明确合适的区段分析长度，同时确保在计算采用的边界条件下，钢锚箱应力状态与实际情况接近。利用有限元分析钢锚箱时，锚箱的计算长度有两种方案可供选择［3］:1)选择处于钢锚箱实际位置的区段，将远离其的一端全固结处理;2)结合圣维南原理所论述的原则，分析区域应该考虑钢锚箱临近梁段的共同作用，并将计算区域两侧全固结。有限元分析应当最大限度地接近实际状况，而方案②比较合理，因此，本文将利用方案②对索梁锚固区进行计算分析。本文参考的桥梁在设计时，横隔板间距取为4 m，将有限元分析模型长度取为8 m，并将梁段两侧全固结(如图2所示)。

图2 索梁锚固区有限元模型

利用大型通用有限元软件ANSYS对钢锚箱应力进行计算分析，并选用Shell63单元模拟钢板。

3 结果分析

计算表明，索梁锚固区的应力分布状态合理，各组成板件的应力云图如图3所示。

图3 方案①锚固区各板件应力

各方案下索梁锚固区各构件的应力比较如图4所示。

图4 各方案下索梁锚固区应力比较

通过计算分析，将各方案结果进行比较，可以得到下述结论:

1)钢锚箱整体性优越，吊杆与主梁之间的索力传递路径清晰明白，传力效果较好。

2)六种分析方案下，钢锚箱的应力分布状态整体较为接近。应力最大值位于索导管、横隔板和承压板的交界点区域，数值计算方法中该点位置存在局部应力集中现象。方案②与方案①比较、方案③与方案①比较、方案④与方案①比较可发现，增加横隔板厚度、增加承压板厚度、增加索导管厚度对降低应力最大值、改善应力状态均有利，但增加索导管厚度的方案效果最好，其次是增加承压板厚度与横隔板厚度;方案⑤和方案⑥的计算结果表明，同时增加组成板件的厚度，其对索梁锚固区应力分布状态的改善效果并没有同时叠加。从而得出，增加索导管的厚度最利于索梁锚固区形成合理应力状态，同时增加横隔板厚度与承压板厚度也能继续改善应力分布，但并不具备明显的叠加效果。所以，为保证锚固处的应力状态合理，设计时应考虑首先增加索导管厚度，其次是承压板，最后是横隔板。

4 结语

索梁锚固区采用了钢锚箱形式，虽然组成钢板较多，但钢锚箱整体性优越，吊杆与主梁之间的索力传递路径清晰明白，传力效果较好。组成钢锚箱的钢板规格对索梁锚固区的应力状态均有影响，但影响大小不一。从有限元计算结果比较来看:索导管的板厚规格对锚固区应力状态的影响最大，其次是承压板和横隔板板厚规格;钢锚箱各板件板厚同时增加，对应力状态的影响效果并不会同时叠加。为保证索梁锚固区的应力状态合理，同时使得设计经济可行，钢锚箱各板件应有先后有限度的采用合适的板厚规格。

［1］李小珍，蔡 婧，强士中.大跨度钢箱梁斜拉桥索梁锚固结构型式的比较研究［J］.土木工程学报，2001，37(3):73-79.

［2］常文洁，邱文亮，夏文来.斜跨钢拱桥索梁锚固区主梁腹板加劲肋优选［J］.武汉理工大学学报，2010，32(1):140-142.

［3］万 臻，李 乔，毛学明.大跨度斜拉桥钢锚箱式索梁锚固结构空间有限元模型比较分析［J］.四川建筑科学研究，2006，32(1):26-30.