中承式钢箱拱肋拱桥钢主梁吊杆锚固区局部分析
2018-11-14□文/王冲徐扬姜锋
□文/王 冲 徐 扬 姜 锋
中承式钢箱拱肋拱桥设计除了要对整体强度、刚度、稳定性进行分析外，尚须对某些关键节点的设计格外关注，以了解结构的局部受力特性，从而为结构的优化设计提供详实的理论依据。本文以宁波市一主跨为160 m的中承式钢箱拱肋拱桥为工程背景，建立了精细化实体单元、板单元有限元模型[1～2]，分析其钢主梁吊杆锚固区在吊杆力作用下的局部应力和稳定情况，其结果可为类似工程提供参考。
1 工程概况
宁波市象山县大目湾新城乐渔路特大桥主桥为无风撑中承式钢箱拱肋拱桥，跨径布置为30 m+160 m+30 m。桥梁横断面布置为3 m（人行道，远期电车道）+4.5 m（人行道）+7.5 m（车行道）+7.5 m（车行道）+4.5 m（人行道），桥面全宽为27 m。见图1。
图1 主桥
主拱横桥向布置为两片拱肋，拱肋布置于人行道（电车道）外侧，形成斜桥布置方案。主拱向内倾斜5°，两片主拱间不设置风撑。主拱拱肋采用矩形封闭钢箱型拱肋并在主拱跨径1/4点附近由1个封闭钢箱分叉为2个封闭钢箱，2个钢箱拱肋之间设置钢桁架进行连接。主拱肋竖直方向矢高30 m，跨径为176 m，矢跨比1/5.86，拱轴线为圆弧线。主拱水平力通过系杆进行平衡[3～4]。
主梁采用单箱多室整体钢箱梁断面，主梁外侧伸出悬臂横梁用于锚固吊杆，主梁通过吊杆和拱肋连系。同时整个主梁共设置4处支点，分别位于3#墩位边拱、3#墩位主梁与主拱相交处主拱牛腿、4#墩位边拱、4#墩位主梁与主拱相交处主拱牛腿。桥梁中心线处梁高为2.0 m，钢梁顶板设置2.0%的双向横坡，底板保持水平不设置坡度。钢箱梁上宽27 m，箱梁两侧设置2.5 m宽悬臂翼缘，钢箱梁下宽22 m。
2 模型
2.1 概况
吊杆是连接拱肋和梁体的重要构件，是荷载由梁体传递到拱肋的主要路径。吊杆顺桥向间距6 m布置，横桥向随拱肋倾斜布置，与拱轴线处于同一平面内。全桥吊杆共42组，每组吊杆由2吊杆组成，以保证结构的安全性和易维护性，吊杆顺桥向布置。
吊杆上端通过锚箱锚固在拱肋箱体内的横隔板两侧，锚箱由承剪板、承压板，锚垫板和加劲板组成，承剪板、承压板焊接在横隔板上，为主传力构件。
吊杆下端锚固于横梁底，腹板两侧，方便维护。吊杆横梁布置在对应吊杆处，间距6 m，全长38.2 m，其中桥面27 m，两侧悬挑出桥面各5.6 m。
采用大型有限元软件ANSYS15.0，建立用于梁端锚固吊杆的悬臂横梁和吊杆锚箱空间模型。选取实体单元（Solid45）用来模拟锚垫板，选取板单元（Shell63）用来模拟锚箱承剪板，承剪板加劲，索导管等[1]。模型共用节点8 065个，单元19 547个。
悬臂横梁长度取5.6 m。吊杆横梁悬挑部分为工字型截面，顶板和底板厚度为30 mm，宽度为800 mm，横隔板厚度为20 mm，横隔板上布置竖向加劲和水平加劲，加劲板厚度为12 mm。吊杆锚箱由承剪板、承剪板加劲、索导管、锚垫板等组成。承剪板厚16 mm，承剪板加劲厚12 mm，索导管壁厚4.5 mm，锚垫板厚60 mm。钢板弹性模量为2.1×1011Pa，泊松比为0.3，重度为78.5 kN/m3。
2.2 模型边界条件和外部荷载
模型的边界条件为在悬臂横梁端部约束全部三个平动自由度和三个转动自由度；模型外部荷载的施加分为两种工况。见图2。
工况I：用来模拟两个吊杆在最不利荷载组合作用下均承受700 kN大小的拉力（双侧对称加载）的工况，施加方式为环面荷载，拉力的大小是由Midas/Civil2015梁单元模型在最不利荷载组合为恒+活+温度+沉降+风，情况下算出的吊杆最大拉力，方向垂直于锚垫板向上。
工况II：用来模拟换索或断索工况，单个吊杆承受1 400 kN大小的拉力（单侧加载），施加方式亦为环面荷载，拉力的大小也是由Midas/Civil2015梁单元模型在最不利荷载组合情况下算出的吊杆最大拉力，方向垂直于锚垫板向上。
图2 模型边界条件和环面荷载
3 结果分析
3.1 吊杆锚固区局部应力
图3-图5中红色包围的灰色区域表示在吊杆拉力作用下，mises应力超过200 MPa的范围，其中锚箱承剪板最大mises应力为371 MPa，承剪板加劲最大mises应力为273 MPa，索导管最大mises应力为447 MPa，但这些均为应力集中所致，可以剔除掉。
图3 模型承剪板mises应力
图4 模型承剪板加劲mises应力
图5 模型索导管mises应力
由图6和图7可知，锚箱锚垫板最大mises应力为223 MPa，横隔板加劲最大mises应力为124 MPa。
图6 模型锚垫板mises应力
图7 模型横隔板mises应力
3.2 吊杆锚固区局部稳定结果
对悬臂横梁在最不利荷载组合 （恒+活+温度+沉降+风）下即在吊杆拉力700 kN的作用下，悬臂横梁的局部稳定性做特征值屈曲分析，得到理论屈曲强度以及结构发生屈曲响应时的结构变形。由于未考虑初始缺陷以及非线形的影响，此结果是假定吊杆拉力严格按照垂直于锚垫板向上加载并且结构无缺陷的前提下得到的。
悬臂横梁前四阶失稳系数见表1，失稳模态见图8。
表1 前四阶稳定系数与失稳模态
图8 模型失稳模态
4 结论
1）吊杆锚固区各钢板的mises应力除应力集中情况外，在最不利荷载组合下均＜200 MPa，满足规范要求[5]。
2）吊杆锚固区在最不利荷载组合下的局部稳定安全系数为11.976＞4，满足规范要求。
3）吊杆锚固区传力顺畅，设计合理、可靠，可为类似工程提供参考。
