某下承式系杆拱桥吊杆锚固区局部受力分析

任飞

（江苏省高速公路经营管理中心）

0 引言

对于系杆拱桥，除了要对其整体刚度、强度、稳定性、耐久性等进行分析验算外，还须格外关注其关键部位的受力特性，从而为结构的服役周期提供坚实的保障[1-2]。吊杆锚固区是系杆拱桥中的重要受力构件，主要分为吊杆-系梁锚固区和吊杆-拱肋锚固区。锚固区板件众多、构造复杂，且由于吊杆传递的较大的集中拉力的影响，锚固区域受力复杂，对刚度和强度要求高[3-5]。因此，应对吊杆锚固区段进行局部受力分析，对其变形情况、应力状态进行验算，以确保锚固区结构设计安全、受力合理。

以一跨径为130m的下承式钢梁钢拱肋系杆拱桥为工程背景,利用大型有限元分析软件建立了精细化的板单元有限元模型，分析其吊杆-系梁锚固区和吊杆-拱肋锚固区在外力作用下的局部变形和应力状态，其结果可为类似工程提供参考。

1 工程概况

主桥采用跨径130m的下承式钢梁钢拱肋系杆拱桥，计算跨径128m，矢高25.6m，矢跨比1/5。拱轴线线型为二次抛物线，拱肋横向中心距为20.2m。拱肋结构及系梁均采用矩形钢箱断面，拱的水平推力和系梁的拉力共同实现体系自平衡。主桥由混凝土桥面板、钢纵梁、钢横梁、钢拱肋、钢系梁、平行钢丝束吊杆组成。

上部结构立面图如图1所示。

图1 钢梁钢拱肋系杆拱总体结构立面图

2 吊杆锚固区构造

2.1 吊杆-系梁锚固区构造设计

吊杆-系梁锚固处横隔板厚度为24mm；人孔开孔直径为600mm，人孔镶边宽度220mm，厚度14mm；吊耳板长度1634mm，板厚为40mm，销孔两侧设置半径为180mm的圆形加劲钢板，厚度为25mm。吊耳板与横隔板、系梁顶板进行有效焊接，并在吊耳板竖向、横向设置加劲钢板。吊杆-系梁锚固构造如图2所示。

图2 吊杆-系梁锚固构造图（单位：mm）

2.2 吊杆-拱肋锚固区构造设计

吊杆-拱肋锚固处设置拱肋竖直横隔板，横隔板厚度为24mm；横隔板两侧设置宽度120mm竖向、横向加劲板；吊耳板长度1670mm，板厚为40mm，销孔两侧设置半径为180mm的圆形加劲钢板，厚度为25mm。吊耳板与拱肋横隔板、拱肋底板进行有效焊接，并在吊耳板竖向、横向设置加劲钢板。拱肋锚固构造如图3所示。

图3 吊杆-拱肋锚固构造图（单位：mm）

3 吊杆锚固区局部受力分析

吊杆锚固区局部构件的受力分析主要包括吊杆-拱肋、吊杆-系梁锚固区局部变形受力分析，按照《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025-86）的要求，参考BS5400规范，利用大型通用有限元软件ANSYS，对在竖向荷载、横向荷载和温度荷载不利组合作用下的各局部构件的变形与应力进行验算。

3.1 有限元建模

吊杆-系梁锚固区和吊杆-拱肋锚固区板件众多、构造复杂，且由于吊杆较大的集中拉力的影响，锚固区域受力复杂；由于整体模型不容易对锚固区域局部板件受力进行评估，因此分别建立吊杆-系梁锚固区、吊杆-拱肋锚固区三维有限元板壳模型。吊杆-系梁锚固区有限元节段模型沿纵桥向长度为4m；吊杆-拱肋锚固区有限元节段模型沿纵桥向长度约为1.5m，其他板件尺寸均按设计给出的参数进行建模。锚固区有限元模型如图4所示。

图4 吊杆锚固区有限元模型

有限元模型钢材板件采用SHELL63壳单元，采用四边形单元划分网格，单元尺寸控制为20mm。弹性模量取206GPa，泊松比取为0.3。不计入局部模型的自重。两处锚固模型单元划分分别如图5所示。

图5 吊杆锚固区有限元模型

在模型边界上采用固定约束，约束边界单元节点的X、Y、Z轴向的平动和转动自由度。在耳板销孔局部采用节点集中力模拟吊杆拉力。吊杆拉力值按照整体杆系模型在标准组合作用下最大吊杆拉力进行取值，拉力值为1079.2kN。两处锚固模型边界条件及荷载施加分别如图6所示。

图6 吊杆锚固区有限元模型

3.2 吊杆锚固区局部模型计算结果

局部构件计算主要包括拱肋、系梁锚固区局部受力计算，按照《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025-86）的要求，参考BS5400规范，对在竖向荷载、横向荷载和温度荷载不利组合作用下的各局部构件的变形与应力进行验算。

3.2.1 吊杆-系梁锚固区模型计算结果

⑴锚固区位移。图7为吊杆-系梁锚固区有限元模型在吊杆拉力作用下位移云图。由图7可见，锚固区位移最大位置出现在吊耳板顶部，最大值约为0.55mm，随着与吊耳板顶部距离的增大，锚固区位移越来越小，整个锚固耳板区域向上位移值约为0.3mm。

图7 吊杆-系梁锚固区模型位移云图

⑵锚固区应力。图8为吊杆-系梁锚固区有限元模型在吊杆拉力作用下吊耳板等效应力云图。由图8可见，在销孔内部等效应力最大约为217MPa，销孔附近等效应力逐渐降低至100MPa，远离销孔位置应力迅速降低。

图8 吊杆-系梁锚固区模型吊耳板应力云图

图9为吊杆-系梁区锚固有限元模型在吊杆拉力作用下横隔板等效应力云图。由图9可见，横隔板等效应力最大约为53MPa，位于系梁、吊耳板加劲钢板交汇处，人孔上缘位置等效应力约为42MPa。

图9 吊杆-系梁锚固模型横隔板应力云图

图10 吊杆-系梁锚固区模型吊耳板应力云图

吊杆-系梁锚固区吊耳板、横隔板、系梁及加劲板在施加的吊杆拉力作用下产生的等效应力均满足《公路钢结构桥梁设计规范》第3.2.1 条钢材强度设计要求。

3.2.2 吊杆-拱肋锚固区模型计算结果

⑴锚固区位移。图11为吊杆-拱肋锚固区有限元模型在吊杆拉力作用下位移云图。由图11可见，锚固区位移最大位置出现在吊耳板顶部，最大值约为0.36mm。随着与吊耳板顶部距离的增大，锚固区位移越来越小，整个锚固耳板区域向下位移值约为0.24mm。

图11 吊杆-拱肋锚固模型位移云图

⑵锚固区应力。图12所示为吊杆-拱肋区锚固有限元模型在吊杆拉力作用下吊耳板等效应力云图。由图12可见，在销孔内部等效应力最大约为184MPa，附近等效应力逐渐降低至82MPa，远离销孔位置应力迅速降低。

图12 吊杆-拱肋锚固模型吊耳板应力云图

图13所示为吊杆-拱肋锚固区有限元模型在吊杆拉力作用下横隔板等效应力云图。由图13可见，横隔板等效应力最大约为44MPa，位于横隔板、吊耳板交汇处，吊耳板两侧横隔板等效应力约为20MPa。

图13 吊杆-拱肋锚固模型横隔板应力云图

图14所示为吊杆-拱肋锚固区有限元模型在吊杆拉力作用下锚固加劲板等效应力云图。由图14可见，加劲板等效应力最大约为40MPa，位于横隔板与人孔加劲钢板交汇处，而加劲钢板应力较小。

图14 吊杆-拱肋锚固模型加劲钢板应力云图

吊杆-拱肋锚固区吊耳板、横隔板、加劲板在施加的吊杆拉力作用下产生的等效应力均满足《公路钢结构桥梁设计规范》第3.2.1 条钢材强度设计要求。

4 小结

⑴在最不利荷载组合作用下，吊杆-系梁锚固区最大位移为0.55mm，吊杆-拱肋锚固区最大位移为0.36mm。

⑵在最不利荷载组合作用下，吊杆-系梁锚固区最大应力出现在吊耳板的销孔内部，为217MPa，横隔板最大应力为53MPa，系梁最大应力为68MPa。吊杆-拱肋锚固区最大应力出现在吊耳板的销孔内部，为184MPa，横隔板最大应力为44MPa，加劲板最大应力为40MPa。锚固区各部件强度均符合规范设计要求。