厦漳大桥索梁锚固结构承载力试验研究

■张 帆，熊健民，周金枝 ■.湖北大学，湖北 武汉 430068;.湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430068

1 概述

厦漳跨海大桥北汊为主跨780m 的五跨连续半漂浮体系双塔双索面斜拉桥，跨度布置为(95 +230 +780 +230 +95)m，南汊主桥为双塔双索面半漂浮体系组合梁斜拉桥，跨度布置为(135 +300 +135)m;该桥起于厦门马青路院前处，止于漳州龙海市后宅处。大桥工程主要包括北汊北引桥、北汊主桥、北汊南引桥、海门岛立交及收费服务区、南汊桥、海平互通立交组成。

南、北汊主桥索梁锚固形式均采用锚拉板式锚固结构，这种索梁锚固方式传力路径明确，构造简单，施工、检查和维修方便［1］，但局部应力明显集中，一些关键构造细节的疲劳可靠性不明确。为验证结构设计正确性与制作工艺的合理性，确保结构的安全可靠，对南汊主桥索梁锚固结构进行1:1 足尺模型试验。

通过对南汊主桥的整桥有限元计算，南汊主桥受力最大的锚拉板为Z12，综合考虑锚固结构的承载能力与疲劳性能，选择参照南汊主桥Z12 锚拉板制作本试验模型。该试验模型是1:1 足尺模型，高为6.1m，宽为2.39m。试验模型制作厂家与实桥生产厂家是同一个厂家，保证了模型的整个制作和焊接工艺要求与实桥完全一致，材料也与实桥相同，为Q235 钢。

厦漳跨海大桥斜拉索与主梁之间采用锚拉板式的锚固方式，如图1所示，斜拉索在索塔上锚固采用钢锚梁结构形式。

图1 锚拉板式的锚固方式

2 有限元分析

2.1 材料参数

从锚固区的线弹性有限元分析结果可知，在成桥索力作用下，锚固结构锚拉板、锚管Von -Mises 应力值最大，某些区域的Von -Mises 应力值将达到材料的屈服强度，为了进一步研究锚固结构的极限承载力，需对索梁锚固结构进行了弹塑性分析［2］。计算中忽略结构初始缺陷，不考虑由于板件焊接引起的收缩变形。单元选用四节点三维壳单元SHELL181，钢材采用双线性等向强化材料模式，弹性模量E=2.1 ×105MPa，泊松比μ=0.3，初始屈服应力σy=360 MPa;考虑1%强化，切线模量Et=2.1 ×103MPa，采用Von-Mises 屈服准则。材料本构关系如图2。

2.2 锚固结构承载能力分析

图2 材料本构关系曲线

根据计算资料，Z12 斜拉索设计索力为5547.1kN，分别计算1.1倍、1.6 倍、2.1 倍、2.6 倍及3.1 倍最大索力下Von-Mises 应力值及塑性区间的发展趋势。Z12 锚固结构锚拉板与锚管在各级荷载作用下的最大Von-Mises 应力值如表1、表2。锚拉板与锚管的塑性区间发展趋势如图4、图5。

表1 各级荷载作用下锚拉板最大Von-Mises 应力值

图3 可以看出:随着荷载的增加，锚拉板的圆倒角在处塑性区间不断增大，当荷载增在最大索力的3.1 倍时，锚拉板与锚管连接处的圆倒角处已全部屈服。

图4 说明了:随着荷载的增加，在与锚拉板连接处的锚管处塑性区间不断增大，当荷载增在最大索力的3.1 倍时，锚管全截面屈服。

2.3 锚固结构整体刚度分析

锚固结构在各级荷载作用下的最大位移如表3，将表3 的数据绘制成图5。

图3 锚拉板塑性区发展趋势

图4 锚管塑性区发展趋势

表3 各级荷载作用下锚固结构的最大位移值

图5 各级荷载作用下锚固结构的最大位移值

随得荷载的增大，锚固结构的最大位移逐渐增大，在破坏荷载之前，锚固结构的最大位移与荷载几乎成线性关系，在3.1 倍索力作用下，锚固结构的横桥向与竖桥向的最大位移增长迅速，分别达14.92mm、5.61mm。

2.4 锚固结构局部稳定分析

根据计算参数，可得到锚管外径与壁厚之比:

锚管外径/壁厚之比=426/38=11.2 ＜100(235/fy)

根据《钢结构计设规范》(GB 50017 -2003)规定“圆管截面的受压构件，其外径与壁厚之比不应超过100(235/fy)”［3］。可见锚管结构局部稳定性满足规范要求。

3 试验研究

3.1 试验方法

由于承载能力试验最大加载索力为Z12 拉索的最大索力的1.7 倍(10703kN)，该荷载值已经远大于MTS6000 试验机的最大加载能力，因此，必需制作专门反力架进行加载，试验采用2 个1300T 千斤顶利用自平衡方式进行，加载方式见图6。

图6 承载能力试验加载图

为防止意外事故发生，试验采取分级加载，逐级增加，分级数为7级，达到最大荷载后一次卸载的加载方式，具体分级如下:0kN →2518kN→5037kN→6296kN→8814kN→10074kN→10703kN→0kN。每级荷载持荷1 分钟后，进行应变测试读数，读数完成后，进行下一级加载。卸载到0kN 后，等待5 分钟后再读数。

3.2 试验结果

根据对锚固结构主要受力构件在1 倍索力作用下各测点的Von -Mises 应力实测值的测算，1 倍设计索力作用下，锚拉板开口两侧受力基本对称，锚固结构的最大的Von -Mises 应力值为336.8MPa，出现在锚拉板与锚管连接圆弧处，其他区域绝大部分测点Von -Mises 应力值在80MPa 以内。

对锚固结构主要受力构件在1.7 倍设计索力作用下各测点的Von-Mises 应力实测值的测算。可以看出，1.7 倍设计索力作用下，锚拉板开口两侧受力基本对称，锚固结构的最大的Von -Mises 应力值为361.6MPa，出现在锚拉板与锚管连接圆弧处，已超过其屈服应力360MPa，其他区域绝大部分测点Von-Mises 应力值在100MPa 以内。

图7 为锚拉板与锚管连接圆弧附近测点在各级荷载作用下的Von-Mises 应力。从图7 可以看出，0.8 倍设计索力前，Von-Mises 应力与荷载呈线性关系;当荷载加载到设计索力的1.4 时，圆弧处的8 号测点与16 测点Von-Mises 应力值分别达到360.5MPa、360.1MPa，已达到材料的屈服应力。

图7 锚拉板部分测点在各级荷载作用下的Von-Mises 应力实测值

4 结论

(1)锚固结构的最大位移随得荷载的增加而增大，在破坏之前，锚固结构的最大位移与荷载几乎成线性关系，在3.1 倍索力作用下，锚固结构的横桥向与竖桥向的最大位移增长迅速，分别达14.92mm、5.61mm;

(2)锚固结构在1.6 倍索力作用下，局部区域开始屈服，最大的Von-Mises 应力值为361.2MPa，出现于锚管与锚拉板连接圆弧附近［4］;随着荷载的增大，锚拉板的塑性区间沿焊缝不断增高，当荷载增大加2.1 倍索力时，锚拉板与锚管连接圆弧处屈服面积达6000mm2，锚管屈服面积达整个截面的1/4;当荷载达3.1 倍索力时，锚管全截面屈服。

承载能力试验结论:(1)各级荷载作用下，锚拉板开口左右两侧受力基本对称，整体应力水平不高;(2)锚固结构应力随荷载的增加而增大，当荷载加载到索力的1.4 时，锚拉板圆弧处的8 号测点与16 测点Von -Mises 应力值分别达到360.5MPa、360.1MPa，已达到材料的屈服应力;1.7 倍索力作用下，除锚拉板与锚管连接圆弧处测点的Von-Mises 应力值为361.6MPa，其他区域测点Von-Mises 应力值均在100MPa 以内;(3)结构试验后进行检查表明，没有任何裂纹出现，锚固构造十字接头处抗层状撕裂能力满足要求。

综上所述，南汊主桥锚固结构具有足够的承载能力，能够保证运营的安全性。

［1］严国敏.现代斜拉桥.成都:西南交通大学出版社，1996.

［2］林元培.斜拉桥.北京:人民交通出版社，1998.

［3］李富文等.钢桥.北京:中国铁道出版社，1992.

［4］李本伟.斜拉桥索梁锚固区模型试验与计算分析.西南交通大学研究生学位论文，1996，5.