自锚式悬索桥钢锚箱设计及受力分析

黄智华

（上海浦东建筑设计研究院有限公司，上海市 201204）

自锚式悬索桥钢锚箱设计及受力分析

黄智华

（上海浦东建筑设计研究院有限公司，上海市 201204）

自锚式悬索桥结构新颖美观，大缆和主梁锚固构造是其关键部位。对上海浦东川环南路浦东运河桥的总体设计作了介绍，该桥为112 m+72 m主跨的自锚式选索桥。采用双主梁的钢箱梁，锚箱为钢结构。钢锚箱设计新颖，构造独特。由于其受力特点不易认识，因此，采用板壳单元的有限元模型进行分析，得到了其传力途径及各部位应力水平。

自锚式悬索桥；锚固型式；钢锚箱；有限元模型

1 项目概况

上海川沙属于浦东新区，浦东国际机场位于川沙功能区，2009年，国务院批复迪斯尼乐园项目落户川沙。因此川沙的地理位置非常重要。川环南路位于川沙城区，东西向穿越镇区中心。川环南路跨越浦东运河，需新建桥梁。浦东运河规划河道蓝线宽85 m。由于地理位置非常显要，且该区域准备修建生态岛，川环南路跨越浦东运河的同时，需要跨越该生态岛，因此，112 m+72 m跨径组合的自锚式悬索桥在众多方案比选中脱颖而出，既满足跨越要求，又具有独特的景观效果，见图1。目前该桥已经进入实施阶段。

图1 浦东运河自锚式悬索桥效果图

2 结构总体布置及钢梁设计

国外自锚式悬索桥发展比较早[1]，我国近几年也修建了一些这种桥型。川环南路浦东运河桥采用自锚式悬索体系，既选用了悬索桥这种大跨度结构，又使用了自锚式体系，克服了上海软土地基难以建造锚碇的困难。悬索桥的大气、柔美、力感等特点，给地区的桥梁建筑景观增添了丰富的内涵。自锚式悬索桥主梁承受较大的水平力，且施工时需要先架设主梁，因此一般跨径不宜做得太大。本桥根据现场情况选取跨径组合为112 m+72 m=184 m的独塔两不等跨的型式。桥总宽32 m，两根主缆平行布置，间距25.5 m。主跨和边跨均设有吊杆悬吊主梁，吊杆标准间距7 m。主梁采用钢箱梁结构，有利于施工中先架设主梁的要求。施工中采用少支架即可保证通航的同时架设主梁。在架设主缆及形成自锚式悬索桥体系的过程中，由于主梁的受力要经历很多不同的工况，因此钢梁的宽广的应力适应范围使得其施工控制变得比较容易。桥塔采用双柱门式钢筋混凝土桥塔，塔上设置鞍座。

本桥钢梁采用双主梁模式，两片钢箱梁中心线与大缆位于同一竖向平面内，其间距与大缆一样，为25.5 m。利用吊杆将钢梁的力传给主缆。两片钢梁通过横梁连接。桥面板为正交异性钢结构桥面板，见图2。

3 钢锚箱构造及受力的问题

主梁和大缆连接需要索梁锚固构造，目前在自锚式悬索桥上的应用还不多，在斜拉桥方面相对应用成熟一些[2]，国内已有的锚固构造很多是混凝土主梁的[3],钢结构主梁的自锚式悬索桥，其主缆在梁端锚固构造主要有三种：一是采用混凝土结构，二是采用钢结构，三是采用钢丝绳[4]。

图2 钢梁标准横断面图(单位：mm)

对于浦东运河桥，采用混凝土锚固构造，其存在锚固空间不太够，锚下应力过大，同时还需与钢梁采用剪力连接构件等问题，因此采用钢结构锚箱是比较合理的选择。目前应用比较好的例子有长沙三汊矶大桥，其锚固体为格构式结构，由锚固前板、锚固后板、横向板和竖向板组成[4,5]，见图3。

图3 钢锚箱构造简图(单位：mm)

浦东运河桥吸取了三汊矶大桥的一些构造优点，同时根据实际情况做了一些创新，其锚固系统主要采用锚固主板M1和横向板M2组成，见图3[6]。大缆的力通过M1传给顶、底、腹板和M2。其中M2是主要传力板，M2再通过腹板传递到整个断面。整个传力结构简单清晰。由于构造较新，需要进行受力分析，采用有限元进行仿真计算可以较为真实的反映结构的受力特点[7]。

4 钢锚箱板壳单元受力分析

对于浦东运河桥的钢锚箱，选取主跨部分的锚箱，利用MIDAS有限元软件进行分析。建立钢锚箱部分的板壳单元模型，模拟了M1（厚50 mm）、M2（厚 24 mm）、顶板（厚 50 mm）、腹板（厚 40 mm）、底板（厚40 mm）。对于大缆，其在M1板锚固部位与M1的板单元共用节点，在大缆散索鞍部位施加设计缆力14 888 kN，方向为顺大缆轴心方向。大缆模拟为杆单元。在左端面将锚箱的节点自由度全部约束，模拟为固结，见图4。

图4 钢锚箱有限元模型

经过计算，得出其计算结果。根据位移云图可以看出，钢锚箱的腹板的上侧比下侧的位移大。根据图5可以看出，M2板的应力不大，基本在100 MPa以内。但顶板应力较大，在顶板的开孔靠近散索鞍侧的应力较大，且顶板在横隔板部位附近的外侧应力也很大，均达到190 MPa。从图6、图7可以看出，腹板的下侧应力较小，上侧应力较大。靠近M1处应力较小，通过M2传力端部应力较大。说明主缆的力通过M1大部分通过M2传给腹板。到传力端部应力累计起来较大。而且由于M2是向上倾斜，因此造成腹板上侧应力较大，Von Mises达到140 MPa。底板应力较小。而且顶板开孔造成顶板处也应力较大。M1的应力除了大缆锚固点应力较大外，其余均较小。

图5 钢锚箱位移云图

图6 钢锚箱Von Mises应力图（俯视）

图7 钢锚箱Von Mises应力图（仰视）

5 结语

浦东运河桥采用钢锚箱将大缆锚固在主梁上，其构造形式新颖简洁。通过钢锚箱及锚固大缆的板壳及杆单元的计算分析，得出了钢锚箱各部位的应力及变形分布图。可以查看各个细节部位的应力，从而得知该部位的受力大小。因此通过有限元仿真计算，可以较为真实的把握结构的受力状况，使得心中有数。通过计算结果可以帮助设计和其他相关人员理解其传力途径,认识到各部位的受力大小，从而给设计、制造[8]、试验[9]提供很好的指导。

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[3]张哲,滕启杰,邱文亮,等.一种新型自锚式悬索桥锚固构造设计与受力分析[J].大连理工大学学报,2004,44(6):844-847.

[4]邵旭东,邓军,李立峰,等.自锚固式悬索桥主缆锚固结构研究[J].土木工程学报,2006,39(7):81-87.

[5]谢卓君.自锚式悬索桥主缆锚固部位分析研究[D].四川成都:西南交通大学,2008.

[6]上海浦东建筑设计研究院有限公司.川环南路(曙光路～川南奉公路)新建工程浦东运河桥施工图设计[Z].2007.

[7]郑凯锋,陈宁,张晓翘.桥梁结构仿真分析技术研究[J].桥梁建设,1998(2):10-15.

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U448.25

A

1009-7716（2017）12-0044-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.013

2017-10-16

黄智华（1981-），男，湖北浠水人，高级工程师，从事桥梁设计工作。