高家花园轨道桥钢箱梁段索梁锚固区局部应力分析

卢 颖，徐荣鹏

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

高家花园轨道桥钢箱梁段索梁锚固区局部应力分析

卢 颖，徐荣鹏

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

斜拉桥索梁锚固区结构复杂，受力集中，是控制设计的关键部位。针对高家花园轨道专用桥钢箱梁段索梁锚固区，利用ABAQUS通用有限元软件建立三维有限元模型，并采用线弹性模型及理想弹塑性模型对不同索力作用下的钢箱梁锚固节段进行计算和分析。计算和分析表明，钢锚箱结构受力合理。此外，还对索梁锚固区受力规律进行分析，为进一步优化设计提出依据。

高家花园轨道专用桥；索梁锚固区；钢锚箱；局部应力

斜拉索与主梁的锚固结构是斜拉桥中极其复杂和重要的关键部位，直接关系到整个桥梁的安全性，是斜拉桥设计的关键问题之一[1]。目前，大跨度钢箱梁斜拉桥中常见的索梁锚固形式主要有锚拉板式结构、耳板式结构、锚管式结构和锚箱式结构等[2]，如图1所示。

锚拉板式：锚拉板式锚固结构由承压板、锚拉筒、锚拉板、加劲板和加强板组成。锚拉板上部开槽，槽口内侧焊于锚拉筒外侧，斜拉索穿过锚拉筒并由锚具锚固在锚管底部；锚拉板下部直接与主梁上翼板焊接；锚拉板中部除了满足安装锚具的空间需要外，还需连接上、下2部分。该锚固构造简单，便于安装和日常检修，但锚固系统外露不美观[3]。

耳板式：耳板式连接也称销铰式连接，它由主梁腹板向上伸出一块耳板，斜拉索通过铰或钢管锚固在耳板上；索力直接由耳板传递给主梁腹板。该锚固构造由于斜拉索离桥面较高，且能随销轴转动，不能保证将阻尼器牢固地连接在主梁上，故采用内置阻尼器，其抑制拉索振动效果不理想，且拉索只能在塔端张拉，锚固系统外露不美观[3]。

锚管式：锚管式连接是在主梁或纵梁的腹板上安装一个钢管，斜拉索锚固于钢管，索力通过钢管传递给主梁或纵梁的腹板。该锚固构造的锚头裸露于梁底，使用过程中日常检修不方便，也不美观[3]。

锚箱式：锚箱式连接是通过设置锚固梁(块)，将锚固梁(块)用焊接方法或高强螺栓与主梁连接，斜拉索锚固在锚固梁(块)上。由于锚固梁(块)在多个方向需要补强，故设计时一般做成锚箱。该锚固构造的拉索锚头置于风嘴内，景观效果好，但检查维修不便[3]。

上述几种索梁锚固形式中，钢锚箱由于受力方式明确、施工方便等优点已在多座大跨度斜拉桥中得到应用。这种锚固结构属于空间受力体系，在斜拉索巨大拉力作用下，锚固区域的应力分布规律比较复杂，因此需进行深入细致的分析。本文针对高家花园轨道桥的钢箱梁段索梁锚固区进行有限元数值模拟，以验证锚固结构的合理性。同时还对索梁锚固区的受力规律进行分析，为优化设计提供理论依据。

1 工程概况

高家花园轨道专用桥是重庆市轨道交通环线的重要工程，位于内环高速公路高家花园公路桥下游800 m处，是轻轨环线跨越嘉陵江、连接沙坪坝区和江北区的通道。该桥为52 m+68 m+340 m+66.5 m+50.5 m双塔双索面混合梁斜拉桥，全长约583 m，如图2所示。该桥两端均连接隧道，边跨采用混凝土箱梁，中跨为钢箱梁。

图2 高家花园轨道桥总体布置示意

高家花园轨道专用桥按双线城市轨道交通设计，桥面全宽19.6 m。斜拉索在钢箱梁上的纵向标准索距为12.0 m，在混凝土梁上的纵向标准距离为8.0 m。全桥总体布置采用5跨连续半漂浮体系，主塔、辅助墩及桥台均采用支座支承。

高家花园轨道专用桥拉索在钢箱梁上的锚固方式采用钢锚箱式。钢锚箱按照斜拉索的方向安装在钢箱梁腹板外侧并与其焊成一体，锚箱由2块支撑板N1、N2，1块中间开圆孔的承压板N3，2块分别位于锚箱内侧和外侧的加劲板N4和6条左右对称布置的加劲肋N5构成，斜拉索经锚箱底板的圆孔穿过锚箱，锚固在底板外侧，如图3所示。钢锚箱构造复杂，其几何形状突变、杆件厚度大、焊缝立体交错、锚固区域应力分布极其不均，受力呈三向状态，应力集中严重[4-5]。因此，深入研究钢锚箱的应力分布及传递规律，对于其结构设计具有很大的参考价值和指导意义。

2 索梁锚固区计算模型

2.1 钢箱梁锚固结构及有限元离散

采用ABAQUS6.13建立钢箱梁锚固节段的局部空间应力分析模型。选取一个长12 m的标准钢箱梁节段为研究对象，采用四节点四边形缩减积分板壳单元S4R以及少量三节点三角形板壳单元S3相结合的方式对钢箱梁节段进行单元划分，钢箱梁单元尺寸约为100 mm，在应力集中的钢锚箱附近单元尺寸约为20 mm。钢锚箱有限元模型如图4所示。

图3 钢锚箱构造示意

图4 有限元模型

2.2 材料参数

钢箱梁以及钢锚箱采用Q345qD结构钢，根据GB/T 714—2008《桥梁用结构钢》得到材料特性，如表1所示。钢锚箱各构件钢板厚度如表2所示。

表1 Q345qD钢材材料特性

表2 钢锚箱各构件板厚 mm

对钢箱梁拉索锚固区分别进行弹性分析和弹塑性分析。弹塑性分析时假定材料模型为理想弹塑性模型，如图5所示。图5中，σs为材料屈服强度。

图5 理想弹塑性材料模型

2.3 边界条件与荷载

2.3.1 位移边界条件

考虑到钢箱梁截面左右的对称性，本文建立的钢箱梁节段是关于Y-Z平面的二分之一对称模型。在Y-Z平面施加对称约束，在顺桥向远离锚箱的X-Y平面施加了固定约束，另一端背离索力作用方向的面施加转动约束(建立参考点与端面节点耦合，约束参考点) ，如图6所示。

图6 荷载与边界条件示意

2.3.2 力边界条件

由于部分节段钢箱梁承受较大轴力作用，故计算过程中通过在自由端面施加轴力以计入其影响(主要是对腹板应力的影响)。整体模型主力+附加力组合轴力包络图如图7所示。从图7可以看出，靠近塔柱的第一个拉索锚固区(Z1)轴力最大，为9.4E+3 kN，而靠近跨中的拉索锚固区(Z13)轴力较小，可以忽略不计。

图7 主力+附加力组合钢箱梁轴力包络图

2.3.3 索力

由于轨道交通荷载引起的拉索索力幅值远比公路荷载的要大，因此，对于拉索索力，考虑其沿锚垫板厚度方向45°角扩散并将最不利工况的索力以均布力形式施加在钢锚箱承压板环形面上(如图6所示)，分别采用线弹性模型及理想弹塑性模型对箱梁锚固节段进行分析。线弹性计算时，钢箱梁在主力+附加力组合作用下承受的最大索力为5 000 kN；弹塑性计算时，采用15个荷载步将索力施加到最大索力的2倍即10 000 kN。

进行弹性分析时，将钢锚箱荷载加载到最大索力工况，查看各构件应力分布情况。

进行弹塑性分析时，将钢锚箱荷载加载到2倍最大索力工况，查看结构塑性区分布情况。

3 索梁锚固区局部应力分析

3.1 弹性分析结果

钢锚箱空间结构复杂，在斜拉索巨大拉力作用下，锚固区域的应力分布规律也比较复杂。本文选取锚箱附近如下应力集中较大的板件进行分析：1) 钢箱梁腹板；2) 钢箱梁腹板加劲肋和拉索横隔板；3) 钢锚箱承压板、支撑板和加劲板。

采用Von-Mises等效应力来衡量拉索钢箱梁锚固区[7-8]。依照GB/T 714—2008《桥梁用结构钢》[9]，钢箱梁及钢锚箱采用Q345qD钢材，其屈服强度为345 MPa。根据TB 10002.2—2005《铁路桥梁钢结构设计规范》[10]，钢材基本容许应力对屈服强度的安全系数采用1.7左右，弯曲容许应力习惯定为基本容许应力的1.05倍，在考虑最不利主力+附加力组合后，容许应力提高系数采用1.2，因此钢材等效容许应力限值最终取值为345/1.7×1.05×1.2=255.7 MPa。

3.1.1 钢箱梁腹板

在主力+附加力组合作用下，在跨中区域钢箱梁节段，若不考虑轴力影响，则局部最大等效应力为246 MPa，小于规范限值255.7 MPa，如图8(a)所示；在支点区域钢箱梁节段，若考虑轴力影响，则局部最大等效应力为330 MPa，应力分布如图8(b)所示。从图8可以看出，钢锚箱承压板与钢箱梁腹板焊缝应力集中较大，此处应力集中主要由钢锚箱变形对腹板产生的面外弯矩所致。腹板内局部区域超过了Q345钢等效应力容许值，但应力集中区域相对整个腹板面积来说较小，且迅速衰减，其相邻区域均保持在较低的应力水平，故可以认为强度满足要求。

图8 主力+附加力组合作用下腹板等效应力分布

3.1.2 腹板加劲肋和拉索横隔板

在主力+附加力组合作用下，腹板加劲肋局部最大等效应力为186 MPa，小于规范限制255.7 MPa，应力集中区域位于腹板竖向加劲肋和横向加劲肋交界处角点处，应力分布如图9(a)所示。拉索横隔板局部最大等效应力为198 MPa，应力同样位于垂直相交的角点处，应力分布如图9(b)所示。

图9 主力+附加力组合作用下腹板加劲肋和拉索横隔板等效应力分布

3.1.3 钢锚箱承压板、支撑板和加劲板

在主力+附加力组合作用下，承压板作为钢锚箱主要受力分配构件，其局部最大等效应力为173 MPa，应力集中位于支撑板、加劲板与承压板的焊缝附近，这是因为承压板上几道焊缝处的单元节点位移受到很强的约束，在索力的垂直压力作用下焊缝附近单元在压应力和弯曲应力的综合作用下产生了应力集中，如图10(a)所示。锚箱支撑板N1、N2的应力均能满足强度要求，支撑板与承压板相交位置处应力集中，节点应力在支撑板中轴线处达到最大，向两侧减小，并沿中轴线与承压板相交处越远，节点应力越小，且下降很快。加劲板N4局部最大等效应力179 MPa，应力集中位于与承压板相接的位置，并沿锚箱轴线方向减小，如图10(b)所示。

3.2 弹塑性分析结果

本文进行弹塑性分析是为了考察钢锚箱各板件的等效塑性应变，因此，为便于查看，仅显示≥1E-5的等效塑性应变区域。在计算模型中当云纹图中PEEQ<1E-5时，可以认为几乎没有发生塑性变形[11]。

3.2.1 钢箱梁腹板

2倍主力+附加力组合作用下钢箱梁腹板塑性应变分布如图11所示。从图11可以看出，钢锚箱顶、底板与钢箱梁腹板焊缝仅端部出现局部塑性区，塑性区面积相对腹板尺寸较小，最大塑性区面积为0.023 m2，不会对结构刚度和强度产生影响；而钢锚箱承压板与钢箱梁腹板焊缝尽管出现了1条较为狭长的塑性区，但其是钢锚箱变形对腹板产生面外弯矩作用所致，并非由沿焊缝方向的剪力造成，故其也不会发展贯通。

3.2.2 腹板加劲肋和拉索横隔板

2倍主力+附加力组合作用下钢箱梁腹板加劲肋和拉索横隔板塑性应变分布如图12所示。从图12可以看出，腹板加劲肋上塑性区较小，塑性区尺寸约为8E-4 m2，仅为1～2个单元面积，远小于构件本身尺寸；拉索横隔板上塑性区较小，塑性区尺寸约为4E-4 m2，远小于横隔板自身尺寸。

图10 主力+附加力组合作用下钢锚箱承压板、支承板和加劲板等效应力分布

图11 2倍主力+附加力组合作用下腹板塑性区应变分布(局部加密处单元尺寸20 mm)

3.2.3 钢锚箱承压板、支撑板和加劲板

2倍主力+附加力组合作用下钢锚箱承压板、支撑板和加劲板塑性应变分布如图13所示。从图13可以看出，钢锚箱承压板塑性区较小，仅为1个单元面积即4E-4 m2；钢锚箱支撑板塑性区也较小，仅为3个单元面积即1.2E-3 m2，支撑板塑性区面积均远小于结构尺寸，因此可以认为结构是安全的。

4 结论

本文对高家花园轨道专用桥拉索-钢箱梁锚固区局部应力进行了分析，并得出以下结论：

1) 对最大索力工况进行偏于保守的弹性计算时，仅仅在支点区域钢箱梁腹板局部出现了超过屈服应力的小范围应力集中，此时最大等效应力为330 MPa，位于钢箱梁腹板与钢锚箱承压板相交处。当采用更为精确的弹塑性计算时，应力重分布，屈服应力的扩散较为均匀，故可以认为强度满足要求。

2) 在2倍最大索力工况下，虽然各个板件上的最大等效应力都达到屈服值345 MPa，但高应力区域很小，并迅速衰减，且其相邻区域均保持在较低的应力水平；等效塑性应变区域尺寸较小(其中最大的1个面积为0.023 m2，出现在与锚箱底板交界的腹板上)，没有出现大规模屈服现象,说明该索梁锚固结构受力合理。

3) 斜拉索拉力通过钢锚箱支撑板和承压板与腹板连接的焊缝，主要以剪力形式传递到腹板上，腹板上的力通过横隔板、箱梁顶板和底板传递到整个界面，并均匀扩散。钢锚箱支撑板和承压板与钢箱梁腹板焊缝应力集中较大，故需加强焊缝质量控制以保证结构安全。

[1]周 良，胡 洋，邓玮琳，等.上海闵浦二桥索梁钢锚箱锚固区应力分析[J].钢结构，2009(9)：38-41.

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Local Stress Analysis of Cable-Girder Anchorage Zone in Steel Box Girder Section of Gaojiahuayuan Track Bridge

LU Ying,XU Rongpeng

The cable-beam anchorage zone of cable-stayed bridge has complex structure and concentrated force,which is the key part of control design. In this paper,for the bridge girder anchorage zone of Gaojiahuayuan Track Bridge,3D finite element model is established by using ABAQUS general finite element software. And the linear elastic model and the ideal elastic-plastic model are used to calculate and analyze the anchorage section of steel box girder under different cable forces. The calculation and analysis show that the steel anchored box structure is reasonable in the force. In addition,analysis carried out for force rules of the cable-girder anchorage zone,so to provide reference for further optimization design.

Gaojiahuayuan Track Bridge; cable-girder anchorage zone; steel anchored box; local stress

10.13607/j.cnki.gljt.2016.06.013

重庆市教委科学技术研究项目(KJ1500528)

2016-06-23

卢 颖(1985-)，女，湖北省随州市人，硕士，工程师。

1009-6477(2016)06-0055-06

U448.27

A