青岛市墨水河大桥索梁锚固区受力分析

2021-09-03孙朝辉

交通科技 2021年4期

关键词：索力钢箱梁拉索

孙朝辉

(林同棪国际工程咨询(中国)有限公司重庆 401121)

1 工程概况

青岛市墨水河大桥主桥为2×90 m单塔中央双索面斜拉桥。行车道为双向六车道，桥梁总宽度为39.5 m。主梁采用钢箱梁，桥塔采用人字形钢结构塔，全桥共布置18对斜拉索，按中央双索面扇形布置，梁上索距为9 m。主桥立面布置见图1。

图1 主桥立面布置图(单位：m)

主梁采用分体式箱形截面，左、右幅钢箱梁通过间隔布置的联系横梁连接，钢箱梁总宽39.5 m。钢箱梁构造见图2。斜拉索锚固在主梁内边腹板外侧，锚点横向间距为5 m。

图2 钢箱梁构造

斜拉索与钢主梁的锚固形式有锚箱式、锚拉板式、耳板式[1]。上述锚固形式各有特点，且均存在大量的工程实例，但经过景观性、受力性能、施工难易度、养护便利性、经济性等方面综合比较，该桥索梁锚固采用钢锚箱式连接结构。钢锚箱构造见图3。钢锚箱采用Q420qD钢材。

图3 钢锚箱构造

斜拉索索力传递路径为：锚垫板→承压板、上承剪板、下承剪板→钢箱梁。主梁腹板内侧均设置了补强板，以利于锚固处应力合理分散到主梁上[2]。补强板设置情况为：在承压板对应位置设斜向补强板、承剪板末端角点处设置竖向补强板、加密设置腹板纵向水平加劲肋。通过补强板的设置，增强腹板局部刚度，在复杂内力作用下减小腹板变形，使锚固区索力流畅地传递给主梁[3]。腹板补强板构造见图4。

图4 腹板补强板构造

斜拉桥斜拉索的巨大索力斜向集中作用于主梁锚固点，索梁锚固结构必须能顺利地将索力传递给主梁，其为斜拉桥的关键构造之一[4]。索梁锚固区的传力途径和受力情况较复杂，会出现较大的局部应力集中[5-6]。因此有必要对其进行局部有限元分析，以确保结构设计安全可靠[7]。

2 有限元建模

以索力最大的索梁锚固区及附近梁段为研究对象[8]，建立“梁段+钢锚箱模型”，各板件采用板壳单元模拟，以考察锚固区附近钢箱梁顶板、底板、腹板的受力情况。

以索力最大的钢锚箱及局部腹板为研究对象，建立“局部钢锚箱模型”，各板件采用实体单元模拟，以考察钢锚箱各部分板件及锚固区腹板受力情况。

3 梁段+钢锚箱模型分析

3.1 计算分析目的

本次计算的主要目的是分析分体式箱梁在各种荷载作用下，钢锚箱锚固区附近钢箱梁各板件的应力状况。另外，由于本桥宽度较大，空间效应很明显，在进行计算时若选取的纵向长度过短，根据圣维南原理边界条件容易干扰构件的真实受力状况。因此，本模型纵向共选取24 m、3个锚索区进行分析，选取其中9 m节段作为主要考察对象。

3.2 有限元模型的建立

利用三维有限元软件midas FEA，根据施工图详细建出箱梁的细部构造。钢箱梁构件均采用板单元进行模拟。同时模拟出每个节段对应的斜拉索，共6根拉索，拉索单元采用桁架单元模拟。取全截面结构进行计算。另外，为节约计算资源，同时考虑到钢锚箱的受力状况并非该次分析对象，因此钢锚箱仅考虑承压板、传力板2个主要受力板件，未考虑其上加劲肋。锚箱采用板单元模拟，通过共节点耦合在一起。承压板与拉索锚固点按主从节点的方式进行连接。有限元模型见图5。

图5 梁段+钢锚箱有限元模型

3.3 边界条件

根据本计算模型中的包含的荷载类型，结构自重、二期恒载、汽车荷载，在整体计算模型中提出在这些荷载作用下对应的每根索的索力值。将该索力值转化为等效降温值，施加于本局部分析模型中。具体的索力值及对应的等效降温值见表1。拉索的一端通过节点耦合于钢箱梁的钢锚箱处，另一端固定约束在对应的桥塔钢锚箱位置处。

表1 斜拉索索力等效降温值

另外，主钢箱梁两端同时承受其余主梁传来的内力荷载，在模型中以等效的位移值来模拟该内力边界条件，两端等效位移值见表2。

表2 钢箱梁端面位移约束值

3.4 计算结果

为避免两端边界条件对计算结果的影响，仅提取中间拉索区附近标准钢箱梁节段的应力计算结果。钢箱梁锚固区附近板件在正常使用极限状态下应力计算结果见图6。

图6 正常使用极限状态下板件等效应力(单位：MPa)

由图6可见，钢箱梁顶板最大等效应力为142.9 MPa，底板最大等效应力为121.8 MPa，腹板最大等效应力为229.9 MPa，出现在钢锚箱角点位置，横隔板最大等效应力为110.1 MPa。说明索力通过钢锚箱传递到钢箱梁腹板，并逐步扩散传递到顶底板；由于主梁采用分体式钢箱梁，顶底板等效应力峰值出现在联系横梁跨中；联系横梁腹板所对应的箱室内横隔板比拉索横隔板的应力水平高。

4 局部钢锚箱模型分析

局部钢锚箱模型分析采用三维有限元软件midas FEA建立模型，对斜拉索索梁锚点进行分析。计算模型包括钢锚箱，部分钢箱梁顶板、底板、腹板和一个横隔板[9]。取最大索力的下锚点进行计算分析。

锚点荷载取整体杆系计算中基本组合下最大索力3 700 kN进行控制计算，索力按均布压力荷载加载，加载位置为锚头锚圈在锚垫板上的圆环形投影面。结构计算模型见图7。

图7 局部钢锚箱模型

4.1 不设腹板局部补强板模型计算结果

腹板及锚箱变形、应力计算结果见图8、图9。由图8、图9可见，在腹板未设加劲肋的情况下，腹板变形巨大，出现局部失稳，构件进入塑性破坏。因此腹板必须设置加劲肋及局部补强板来增强主梁腹板的刚度，以保证结构安全。

图8 锚固区位移(单位：mm)

图9 锚固区等效应力(单位：MPa)

4.2 设腹板局部补强板模型计算结果

腹板及锚箱变形计算结果见图10，腹板及锚箱应力计算结果见图11。由图10、图11可见，在腹板设置局部补强板的情况下，钢锚箱最大变形为1.5 mm，锚固区腹板最大变形为1.4 mm；钢锚箱最大等效应力为146.6 MPa，最大值出现在上传力板角点处，网格占比非常小，且最大等效应力小于钢材强度设计值420 MPa。