大跨斜拉桥钢锚梁多工况受力性能分析

薛世豪

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

随着大跨径公铁两用斜拉桥的建设，斜拉索索力不断增加，这也对索塔锚固结构的受力性能提出了更高的要求。锚索结构作为斜拉桥受力关键部位，同时也是斜拉桥的设计难点[1-3]。钢锚梁索塔锚固构造可以较好平衡索力，使混凝土塔壁承受的水平力较小，从而很好地发挥钢材和混凝土两种材料的性能，且方便工厂预制，在斜拉桥领域得到广泛应用。本文通过采用有限元实体建模仿真计算的方式对钢锚梁索塔锚固在不同工况下的应力水平进行分析，确保钢锚梁组合结构受力合理，从而为后续设计施工提供依据。

1 工程背景

依托工程为全长1 700m的双塔双索面组合梁斜拉桥，跨径组合72m+212m+560m+212m+72m。主塔采用菱型索塔，群桩基础；塔底尺寸为29m×17m，下横梁处塔身尺寸为42.5m×12m，上横梁处塔身尺寸为27.1m×8m，塔顶尺寸为12.9m×8m。主梁采用混凝土面板下设两小纵梁的结构形式。斜拉索采用高强度低松弛平行镀锌钢丝索，全桥共176根，标准索距为15m。全桥跨径布置如图1所示。

图1 跨径布置示意(单位：cm)

2 钢锚梁支撑方案设计

2.1 方案比选

背景桥梁除塔侧1～3对斜拉索采用混凝土齿块锚固外，其余均采用钢牛腿-钢锚梁组合结构形式。每个塔柱内钢锚梁共19道，每道钢锚梁锚固一对斜拉索，支承于钢牛腿上。

钢锚梁钢牛腿构造图如图2所示，钢锚梁腹板端部伸出三角形凸起，以适应拉索锚固角度，锚面采用纵横向加劲肋，分担锚固压力。底板采用镂空构造，以形成钢锚梁检修通道。锚梁与钢牛腿间设置垫板和临时固结螺栓。钢牛腿背板通过剪力钉与混凝土塔壁相连，为防止腹板受压失稳，竖板设置竖向加劲肋，并焊接斜底板。

图2 钢锚梁索塔锚固区构造

钢锚梁在塔壁钢牛腿上有3种支承方式，即两端固结体系，两端滑动体系和一端固定，一端滑动体系。经研究比选[4-5]，确定为索力张拉时边跨侧固定，中跨侧滑动，张拉后将滑动端固结，形成成桥状态的两端固定体系。该方案能充分发挥钢锚梁平衡两端斜拉索水平分力的作用。

施工步骤为钢锚梁与钢牛腿之间先用高强螺栓连接，然后焊接一侧，另一侧仅设置受压连接，使拉索水平力可以传至钢锚梁，两侧张拉完成后，再将两侧焊接固结。

2.2 模型参数

钢锚梁节段高3.5m，混凝土塔壁宽4.6m，厚1.5m。钢锚梁和钢牛腿采用Q345qD钢材,抗压弹性模量E=2.06×105MPa；剪切模量G=0.79×105MPa；泊松比υ=0.31；线膨胀系数：1.2×10-5℃；重度γ=78.5kN/m3。钢材强度取值详见表1。

混凝土塔壁采用C50混凝土，弹性模量3.45×104MPa；泊松比υ为0.2；线膨胀系数1.0×10-5℃;重度;γ=26kN/m3。

表1 钢材强度设计值

3 有限元模型

为研究钢锚梁及桥塔受力情况，采用有限元软件MidasFea建立钢锚梁索塔锚固区模型。为简化计算，减小计算模型，选取索力最大，受力最不利的塔顶钢锚梁为研究对象，且仅针对尾索相对应钢锚梁进行建模，其余钢锚梁简化不予建模[6]。根据圣维南原理[7]，为避免边界条件对分析区段产生影响，所取模型区段应在锚固区下端延长一定距离，以保证结果的真实性，同时对结果影响很小塔冠部分不予考虑。

钢结构部分采用尺寸8mm的空间四面体单元模拟，混凝土部分利用映射网格方法采用8mm～100mm的空间四面体单元模拟。用仅受拉连接单元来模拟钢锚梁底板和牛腿顶板之间的高强螺栓效果，焊接作用使用弹性连接中的刚性连接单元来实现。模拟滑动时用单边法向接触(仅钢锚梁底板和牛腿顶板接触部位有滑动接触)。

模型边界条件为混凝土塔壁下端的所有节点均约束，按节点约束6个自由度，侧面为正对称截面约束，按节点约束3个自由度。有限元模型分析时的外荷载为结构自重、钢束预应力、斜拉索索力。预应力钢束面积1 688mm2，大小为1 300MPa。索力施加在钢锚梁的承压板上，采用空间3D单元面加载的方式施加。由于锚固区为对称结构，为缩减分析规模，只需建立半边模型。索塔锚固区有限元模型如图3所示，模型中共1 200 859个单元，267 163个节点。

图3 钢锚梁结构有限元模型

4 结果分析

根据实际情况，选取最不利三种工况进行分析，如表2所示。

表2 分析工况一览

4.1 施工阶段钢锚梁受力性能分析

由钢锚梁组合结构受力原理知，在锚固结构中，索力竖向分力的传递是简单、明确的，而索力水平分力的传递和分配则受到较多因素的影响。其中影响最大的是钢锚梁与钢牛腿之间的连接方式。然而前面很少有研究涉及牛腿与钢锚梁之间摩擦接触非线性对组合结构受力性能的影响，因此分别建立考虑摩擦接触非线性和不考虑摩擦接触非线性的有限元模型进行研究[8]。

组合结构主要构件等效应力如表3所示。

表3 工况一作用下组合结构应力 MPa

索力作用下，钢锚梁发生滑动，带动牛腿顶板共同向钢牛腿背板移动，导致钢牛腿背板位置处出现较大应力。由表3可知，高强螺栓将钢锚梁底板与牛腿顶板连接，并且只在一侧接缝处焊接，另一侧可摩擦滑动情况下，钢锚梁组合结构范梅赛斯最大等效应力大致相当，均为216MPa左右，满足结构安全使用要求，但是牛腿顶板应力相差52 %,考虑摩擦作用进行非线性分析时，牛腿顶板最大等效应力为203MPa远大于不考虑摩擦接触时的133MPa，最大应力位置出现在牛腿顶板、钢锚箱底板与钢牛腿背板三者的交界面附近。施工状态下钢锚梁变形图如图4所示。

图4 初张拉索力下钢锚梁变形云图

因此，在后面钢锚梁组合结构设计中，有必要考虑摩擦滑移影响进行结构分析验算。此外，钢锚梁组合结构最为不利的区域为钢锚梁底板与牛腿顶板之间的焊缝区域，在构件制造时，应确保相应关键部位施工质量。

4.2 运营阶段钢锚梁受力性能分析

根据MidasCivil全桥计算模型，提取运营状态下最不利荷载组合索力8 321kN，此时钢锚梁与两侧牛腿保持焊接状态，共同受力。

运营状态下，钢锚梁两侧承担对称荷载，钢锚梁最大等效应力为240MPa，满足结构使用要求。运营状态钢锚梁应力云图如图5所示。

图5 运营状态下钢锚梁应力云图

4.3 极端断索工况下钢锚梁受力性能分析

采用在前面模型基础上钝化一侧索力来模拟极端断索工况下的钢锚梁受力状态，边界条件不变。

钢锚梁受力后，在立面上，锚梁中部上拱，轴向伸长挤压，索力施加侧牛腿前端部分有上翘，左腹板较右腹板变形大。在平面中，锚梁向外偏移。变形特征如图6所示。

图6 极端断索工况下钢锚梁变形云图

单侧索力工况下，索力的竖向力大部分经侧牛腿传至塔柱，使该侧塔壁受压，另一侧牛腿虽然有部分竖向力传递，但单侧索力产生的弯矩要大于该部分竖向力的影响，最终使得钢锚梁一侧受压，另外一侧部分板件受拉。钢锚梁最大等效应力为277MPa，仍处在设计安全范围内(表4)。

5 结论

以主跨560m双塔双索面组合梁斜拉桥为背景，计算了索塔锚固区钢锚梁在多种工况下的受力性能，得出以下结论：

(1)钢锚梁索塔锚固结构一端固定，另一端设置仅受压连接时，通过线性分析方法得到的牛腿应力小于考虑摩擦接触非线性的牛腿应力52 %。为保证结构安全，在钢锚梁结构施工阶段分析中应当采用考虑摩擦影响的非线性分析方法。

表4 极端断索工况下主要板件应力变化 MPa

(2)钢锚梁在运营荷载工况作用下，腹板与牛腿背板焊接部位应力最大，属于受力薄弱部位，但钢锚梁仍处于安全状态，建议加强对较薄弱部位的质量检测。

(3)极端断索状态下，钢锚梁最大应力为277MPa，各板件均小于容许应力值,满足设计要求。该工况不平衡索力由焊缝经牛腿和剪力钉传递至塔柱，设计应考虑对焊缝进行抵抗不平衡索力的设计，保证钢锚梁安全。