V形拱塔斜拉桥钢锚箱结构受力分析

赵文溥

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

随着桥梁技术的不断进步，桥梁逐渐向轻型化和组合化发展，尤其随着现代人生活水平日渐提高，人们对城市的美观提出了更高的要求[1]。V形拱塔斜拉桥因其漂亮的造型以及优美的结构受到越来越多桥梁工作者的青睐。钢锚箱是斜拉索索力的重要传力构件，钢锚箱的安全可靠是该桥型设计的关键。本文基于ANSYS对钢锚箱所处的拱塔节段进行受力分析计算，获得了该锚固区应力的大小和分布规律，为该桥设计提供了有用的参考依据。

1 工程概况

本文研究的索辅体系斜拉桥，依托于辽宁省朝阳市新城东街大桥（图1），该桥主跨布置为90+90=180 m；引桥跨径为（29.98+30.02）m和单跨30.04 m，主梁采用单箱四室预应力混凝土箱梁，斜腹板。全宽34 m，梁高2.8 m，顶板厚280 mm，底板厚280 mm，塔处增加到550 mm；腹板厚450 mm，塔处断面增加到750 mm。塔采用双拱塔V字形，拱塔中心倾斜20°。拱轴线为椭圆线，拱塔断面为单箱单室钢箱断面。拱塔拉索锚固采用钢锚箱方式，锚箱腹板厚度40 mm，高度1.3 m或1.7 m，塔上索距垂直间距2 m。本文研究的钢锚箱实际结构如图2所示。

图1 总体布置示意图

图2 钢锚箱示意图

该桥为V型双拱塔异形结构，结构受力复杂，尤其是索塔锚固结构为关键受力部位，必须重点加以考虑。

2 整体计算

在该斜拉桥中，拱塔采用双拱塔V字形，拱塔中心倾斜20°。拱轴线为椭圆线，拱塔断面为单箱单室钢箱断面，主塔拉索分为水平索和斜拉索。

对斜拉桥索塔锚固区进行应力分析时，一般做法是先对全桥结构利用杆系有限元程序进行分析，得出索塔断面的组合内力和索力，然后取适当的节段进行三维实体有限元分析[2]。

首先利用Midas Civil建模型（图3），梁单元模拟混凝土主梁，桁架单元模拟拉索。计算模拟一次落架施工。整个计算模型共268个节点，264个单元，计算采用kN、m制，应力单位为MPa。最终计算分析出最不利荷载作用下，斜拉索受到的索力。

图3 Midas计算模型

图4 最不利荷载下最大索力（单位：kN）

由图4可以看出在最不利荷载作用下10号索受到的拉力最大，故选取MX10号锚箱进行建模并进行数值分析，得出斜拉桥索塔锚固区的应力分布状况。

3 钢锚箱有限元数值计算

所研究的钢锚箱由于受力复杂，所以我们选择10号钢锚箱所处的钢拱塔节段建立实体模型进行分析，这样可以模拟更加真实的受力环境取得更加准确的结果。

拱塔结构的材料属性如表1所示。

表1 钢板材料属性表

计算模型采用SHELL63弹性壳单元，把在最不利工况下的斜拉索索力换算成锚垫板区域（除去圆孔面积）的均布面力，其作用方向与拉索方向保持一致（垂直于承压板），斜拉桥钢拱塔和钢锚箱二者接触面节点完全耦合，共同受力，模型中拱塔节段两端施加固定端约束，同时还要考虑节段顶部截面受到上部拱塔的压力作用，计算中将其换算为均布荷载施加到顶部截面上[3]。

图5 钢拱塔节段有限元模型

图6 钢锚箱有限元模型

4 计算结果分析

本文计算的钢锚箱处于复杂的三向应力状态，通过对上述模型进行计算，得出了如下分析结果：

图7 N1板Mises应力云图（单位：kPa）

图8 N1a板Mises应力云图（单位：kPa）

从图7、图8中，我们可以看出钢锚箱N1、N1a侧板与锚垫板连接处产生的应力比较大，最大分别能达到111.6 MPa和102.5 MPa。这是由于在该处锚垫板受到斜拉索索力作用，斜拉索产生的水平力主要由钢锚箱自身来平衡，水平力通过两者之间的焊缝传给N1侧板，所以应力比较大，其他部位受力比较均匀，总体应力不是很大。

图 9 N2、N2a，N2’及N2a’板 Mises应力(单位：kPa)

图 9 中，钢锚箱中 N2、N2a 为顶板，N2a′、N2′为底板，不受斜拉索力直接作用，顶板主要受到上面拱塔节段的压力作用，底板主要受到下面拱塔节段的支撑作用，总体受力较小，未出现比较大的应力集中现象。

N3板为钢锚箱支撑板（图10所示），通过支撑板将部分钢锚箱未能自身平衡的斜拉索索力传给钢拱塔塔壁，由于未能平衡的力比较小，所以在图中可以看出，靠近锚垫板和侧板连接处的位置应力比较大达到74 MPa，靠近钢塔壁位置的应力小，同样N4、N5、N6板都是类似情况，不再赘述。

图10 N3板Mises应力(单位：kPa)

图11 N9板Mises应力(单位：kPa)

图12 拱肋节段Mises应力（单位：kPa）

在图11中，N9板为钢锚箱承压板，承压板受到斜拉索直接作用，包括承压板与斜拉索之间的预紧力作用产生了很明显的应力集中，最大应力达到300 MPa，承压板与侧板以及支撑板连接处应力也有增大趋势，反应出钢锚箱真实的受力特点；图12中可以看到拱肋的应力较小，仅有60 MPa。

5 结语

通过对V形拱塔斜拉桥进行整体分析得到最不利荷载下索力，然后运用ANSYS对锚固部分进行了计算，最后得出：

a）拱塔锚固区整体受力基本满足要求，拱塔塔壁承受的应力较小，承压板局部应力较大，但是也未超出端面承压的强度设计值（400 MPa）。

b）钢锚箱为空间结构体系，受力非常复杂，在进行有限元分析时对模型合理简化和对计算结果进行正确的判断十分必要。

c）该桥塔为异型桥塔，索面为空间索面，每个钢锚箱的角度都不一样，钢锚箱在施工时应精确定位，否则会造成局部区域角点应力过大。