异型拱桥索梁索拱锚固区受力分析

时间：2024-07-28

杜闯，张彩利，卿龙邦

(1.河北工业大学土木工程学院，天津 300401;2.河北省土木工程技术研究中心，天津 300401)

异型拱桥是新近发展的一种桥型，其造型特点是主梁与拱肋斜交，通过吊索将主梁与拱肋相连。吊索两端用钢锚箱与主梁和拱肋锚固连接。由于钢锚箱要将桥面的荷载传递到拱肋上，再通过拱脚传递到基础中去，这就明显造成钢锚箱锚固区是一个局部应力集中的薄弱接头区域。因此，吊索与主梁和吊索与拱肋的锚固连接是设计的关键问题之一。目前，关于钢锚箱锚固连接的研究主要集中在斜拉桥的索梁锚固连接结构上，而关于异型拱桥钢锚箱锚固结构的相关文献几乎没有。因此非常有必要进行异型拱桥的钢锚箱锚固研究，为新型桥梁结构锚固连接提供理论支持。

本文以张家口异型通泰大桥为例，借鉴已有的斜拉桥索梁锚固连接研究相关成果［1-3］，采用有限元法进行了钢锚箱连接结构的受力分析，对于掌握锚固区受力特性、指导设计及预应力索力的施加具有相当的工程实用价值，也可为类似工程提供参考。

1 通泰大桥概况

张家口通泰大桥是河北省张家口城市快速路北环线跨清水河的一座异型钢结构吊索拱桥。主梁跨度190 m，位于半径600 m的平面曲线上。桥面不设纵坡，设置双向2%的横坡。主梁跨中设20 cm预拱度。拱肋斜跨主梁，跨度180 m，矢跨比0.345 1。该桥立面图和平面图如图1、图2所示。

图1 通泰大桥立面(单位:m)

图2 通泰大桥平面布置(单位:m)

主梁为扁平钢筋梁，梁上设14对吊索，间距12 m，两侧无吊索区段长23 m。拱肋为单箱单室钢箱拱，拱肋上设20处吊点，间距6 m，中间8个吊点各设2根吊索，东西两侧各6个吊点均为1根吊索。两侧无吊索区段30 m。吊索采用高强镀锌钢丝成型，双层PE保护层，冷铸锚锚固体系。

2 有限元模拟

采用有限元软件Ansys进行模拟分析，模型为空间有限元。采用此模型计算可得到索梁索拱钢锚箱锚固结构的应力及变形等。

2.1 材料参数

通泰桥主梁、拱肋和锚箱材料均采用 Q345E。Q345E的弹性模量取2.1×105N/mm2，泊松比取0.3，线膨胀系数取0.000 012/℃。

2.2 有限元建模

2.2.1 钢锚箱选取

由于通泰大桥主梁与拱肋通过28根吊索连接，吊索两端用锚箱与主梁和拱肋连接，主梁上锚箱用高强螺栓连接在边腹板外侧，拱上锚箱焊接在横隔板和底板上。每根吊索与主梁及拱肋所呈的空间角度及长度各不相同。宜选取最不利的钢锚箱锚固区为代表，进行受力分析。

本文选取具有代表性的梁上B7钢锚箱进行受力分析。钢锚箱由2块锚固板和承压板、铺垫板组成;每个锚固板的外侧设加劲肋，内侧与2个呈“凹形”的加劲板焊接，位置与外侧加劲肋对应，从而形成了锚箱框架结构。斜拉索穿过承压板与铺垫板中间的圆孔，锚固在铺垫板外侧［4］。梁锚箱构造示意如图3(a)所示。

选取具有代表性的拱上A3，B9钢锚箱进行受力分析。拱上锚箱焊接在横隔板和底板上，将锚垫板支撑在大隔板和小隔板之间，保证索力能通过锚垫板传递到拱肋［5］。这样的设置方式整体性更好，受力明确。锚箱构造示意如图3(b)(仅示出计算模型中一半拱肋锚箱)。

图3 锚箱示意

2.2.2 有限元模型

采用大型有限元分析软件Ansys进行梁上及拱上锚箱局部静力分析。空间数学模型以设计施工图提供的截面、材料与尺寸为依据，采用壳单元Shell63和体单元Solid45建模，其中Solid45用于模拟较厚的承压板。

为了研究索梁锚固区局部受力情况，参照圣维南原理确定合理的计算梁段长度，且应保证锚箱附近范围内的腹板应力受边界条件影响较小。取B7吊点附近的半边钢箱梁节段建模。在承压板上施加成桥索力，在钢箱梁节段的两端施加固定约束。模型共有22 467个节点，33 653个单元。

同样按照圣维南原理确定合理的计算拱肋长度。拱肋上横隔板间距为3 m，计算模型中取拱肋段长度为6 m，并取两端固结。在承压板上施加成桥索力。拱上A3，B9锚箱有限元模型如图4所示。模型共有44 244个节点，46 740个单元。

图4 拱上A3，B9锚箱有限元模型

3 计算结果及分析

3.1 梁B7锚箱局部静力分析

3.1.1 锚箱应力

图5 B7锚箱200 MPa以下Mises应力(单位:Pa)

锚箱的传力机理是由锚固板将承压板承受的索力通过剪力的方式传递到腹板，应力主要沿着边腹板与锚固板、边腹板与承压板间的焊缝传递，扩散到整个主梁截面。由于承压板受弯挠曲，使悬臂的锚固板发生向两外侧鼓起的变形，加劲板能有效地限制这种弯曲变形，从而形成了受力框架，保证了索力的安全传递［6-7］。

梁上B7钢锚箱Mises应力云图如图5所示。由图可见，梁上B7锚箱整体应力水平不高，大部分在100 MPa以下。边腹板对于锚固板及承压板相当于弹性固定端，索力对于边腹板的偏心作用使得边腹板与锚固板、边腹板与承压板相接处存在应力集中。所以，为保证锚固处的吊索索力合理分散到主梁上，主梁腹板内侧均应做相应的补强设计。有条件的话，可以在箱梁腹板外侧增设一块连接板，将锚箱与连接板焊接成一个整体锚箱，避免传力板与腹板直接焊接，既能保证焊接质量，又能方便运输。

3.1.2 锚箱变形

计算表明:在成桥索力作用下，锚箱处的变形呈现局部集中现象，但影响范围有限，其最大变形4.17 mm，对整个主梁变形影响不大。

3.2 拱上A3，B9锚箱局部静力分析

3.2.1 锚箱应力

同梁上锚箱类似，拱上锚固区段传力机理为，索力作用在承压板上，通过锚固板传递到横隔板和与锚箱横隔板相连的底板及底板加劲肋板上。

通过有限元计算，得到拱上锚箱A3，B9的有限元Mises应力云图如图6所示。由图可见，锚箱A3，B9整体应力水平不高，最大应力值为204 MPa。但个别点应力集中，包括A3锚箱承压板附近的横隔板与底板加劲肋相交处、B9锚箱的承压板与底板相交处、某些切口处。但板的整体传力比较流畅，横隔板能全截面参与受力。

图6 A3，B9锚箱Mises应力(单位:Pa)

此外，计算显示与锚箱横隔板相连的底板及底板加劲肋板的应力集中主要在底板个别加劲肋上，最大应力值为218 MPa。设计中可适当加大该位置加劲肋截面尺寸。

3.2.2 锚箱变形

由计算结果可见，锚箱底板处往下鼓出2.4 mm，横隔板侧向鼓出2.5 mm。由于受A3和B9锚箱的影响，侧向成S形变形。尽管变形量均不大，仍建议加厚锚箱底板厚度，以加强大小横隔板之间的联系。

此外还计算了与锚箱横隔板相连的底板及底板加劲肋板的竖向变形，底板加劲肋竖向变形最大值2.65 mm，局部下鼓变形明显。可通过适当增加局部加劲肋尺寸增强抗弯刚度。