丁 潇
(同济大学，上海 200092)
大跨度钢箱梁斜拉桥索梁锚固区易损性分析
丁潇
(同济大学，上海200092)
以苏通大桥为背景，根据锚箱式索梁锚固区的构造，建立了锚固区有限元模型，从钢锚箱顶板、底板、腹板、承压板等方面，研究了锚箱式索梁锚固区的传力机理及应力分布特征，最终得出了一些有意义的结论。
大跨斜拉桥，索梁锚固区，钢锚箱，有限元模型，易损性
1 概述
索梁锚固结构的作用是将集中作用于其上的巨大拉索索力可靠顺畅地传递给主梁截面。设计时应当使力线流畅，防止出现过大的应力集中，否则在长期的动、静载作用下，可能发生疲劳或强度破坏。因此，作为斜拉桥的关键部位，索梁锚固结构的可靠与否直接关系到整座大桥的安全[1]。
目前，大跨度钢斜拉桥常见的索梁锚固形式主要有以下四种[2]：1)耳板式(销铰式)连接；2)锚管式连接；3)锚拉板连接；4)锚箱式连接。
2 锚箱式索梁锚固区构造
苏通大桥的索梁锚固结构如图1所示。钢锚箱主要由锚箱顶板N1、锚箱底板N2、带圆孔的承压板N3、锚垫板N7、锚箱腹板N4和锚箱加劲肋N5(N5′)构成。整个锚箱通过锚箱顶、底板以及承压板与主梁外腹板间的焊缝焊接在外腹板上。拉索穿过承压板上的圆孔锚固在锚垫板上。拉索将索力由锚垫板传递给承压板，然后索力通过锚箱顶、底板以及承压板与外腹板间的三条焊缝以剪力的形式传递到钢箱梁外腹板上，进而通过横箱梁顶、底板和横隔板分散到整个箱梁截面上。
图1 锚箱式索梁锚固结构
承压板在巨大索力的作用下会受弯挠曲，引起锚箱顶、底板向外鼓出变形，因此需在两板之间设置锚箱腹板N4形成框架结构，并在锚箱顶、底板外侧设置锚箱加劲肋N5(N5′)来限制这种变形(注：本文中锚箱顶板N1、底板N2、承压板N3以及锚箱腹板N4构成箱形结构，这些板件面向拉索的一侧规定为内侧，背离拉索的为外侧)。
3 有限元模型建立
3.1锚固区局部模型
本文采用中跨成桥恒载索力最大的J34号索，取锚固区以及附近的箱梁节段(16.0 m)为研究对象，拉索倾斜角20.284°，按照实际尺寸建立有限元模型。研究节段模型如图2所示。
图2 钢箱梁节段模型
3.2混合有限元模型
传统的节段模型一般不考虑钢箱梁节段的位移边界条件以及力边界条件[3]，所以本文为了相对精确地模拟箱梁节段模型的边界条件和受力状态，将锚固区局部模型与全桥模型进行耦合，在连接处以主梁梁单元节点为主节点与钢箱梁节段两端截面所有节点进行自由度耦合。模型中，J34号索钢锚箱及锚固区前后16 m箱梁节段用壳单元Shell63模拟，桥梁其他梁段、索塔、桥墩等采用梁单元Beam4模拟，斜拉索用Link10模拟，混合模型局部如图3所示。
图3 混合有限元模型
4 索梁锚固区易损性分析
4.1板件基本参数
板件基本参数见表1。
表1 板件基本参数[4]
4.2总体应力分析
混合模型计算得到苏通大桥J34号索索力为5 545 kN，索梁锚固区索力作用下的应力云图见图4。由图4可知：1)J34号索索梁锚固区von Mises应力最大值为172 MPa，各处的应力均小于许用应力。2)等效应力在承压板和外腹板的交界处较大，并向两侧衰减。
图4 索梁锚固区应力云图
4.3钢锚箱顶板N1应力分析
钢锚箱顶板N1在索力作用下von Mises应力云图如图5所示。
由图5可知：1)钢锚箱顶板von Mises应力最大值123 MPa，大部分区域应力较小，在13.8 MPa～81.8 MPa之间，远小于材料的许用应力。2)应力最大值出现在锚箱顶板与主梁外腹板焊缝的顶端位置。3)锚箱顶板内侧与承压板交界处也发生了应力集中，这是因为承压板在索力作用下发生弯曲，与锚箱顶板内侧发生挤压。应力沿着拉索方向迅速衰减。
4.4钢锚箱底板N2应力分析
钢锚箱底板N2在索力作用下von Mises应力云图如图6所示。
图5 锚箱顶板von Mises应力云图 图6 锚箱底板von Mises应力云图
由图6可知：1)钢锚箱底板von Mises应力最大值为113 MPa，大部分区域应力较小，在12.6 MPa～75.2 MPa之间，远小于材料的许用应力。2)应力最大值出现在锚箱底板内侧与承压板交界处。应力沿着拉索方向迅速衰减。3)锚箱底板与主梁外腹板焊缝的顶端区域也发生了应力集中现象。
4.5承压板N3应力分析
承压板N3在索力作用下von Mises应力云图如图7所示。
图7 承压板von Mises 应力云图
由图7可知：1)承压板von Mises应力最大值为152 MPa。内外侧应力均以承压板对称轴为轴对称分布。2)在承压板外侧，应力集中发生在承压板与主梁外腹板焊缝中部位置，其他三条边附近应力较小。3)在承压板内侧，应力集中也发生在承压板与主梁外腹板焊缝中部位置，其他三条边附近应力较小，在索孔附近应力又有所增加。
4.6钢锚箱腹板N4应力分析
钢锚箱腹板N4在索力作用下von Mises应力云图如图8所示。
图8 锚箱腹板von Mises应力云图
由图8可知：1)钢锚箱腹板von Mises应力最大值为172 MPa，大部分区域应力较小，在19.5 MPa～115 MPa之间，远小于材料的许用应力。2)近主梁外腹板的锚箱腹板应力小于远离主梁的锚箱腹板应力，这是由于它靠近锚箱顶板、底板及承压板与主梁外腹板间的焊缝，所以它不需要过多的参与受力。3)近主梁外腹板的锚箱腹板最大应力值为140 MPa，位于其内侧与承压板交界处。应力沿着拉索方向迅速衰减。4)远离主梁外腹板的锚箱腹板绝大部分区域应力水平很低，小于39 MPa，其内侧与承压板交界处也存在轻微的应力集中现象，但是在过焊孔处应力集中明显，应力最高水平达到172 MPa。
5 结语
1)索力主要通过锚箱顶板、锚箱底板以及承压板与主梁腹板间的焊缝以剪力的形式传递给整个主梁截面。2)在5 545 kN索力的作用下，索梁锚固区的von Mises应力最大值为172 MPa，出现在锚箱腹板与承压板焊缝的端点区域。3)锚箱顶板、底板与主梁外腹板的焊缝顶部区域、承压板与主梁外腹板的焊缝中部均产生了明显的应力集中现象。4)索梁锚固区其他区域应力水平较小，应力值均小于材料的许用应力。
[1]满洪高.大跨度钢斜拉桥索梁锚固结构试验研究[D].成都：西南交通大学,2007.
[2]李小珍，蔡婧，强士中.大跨度钢箱梁斜拉桥索梁锚固结构型式的比较研究[J].工程力学，2004,21(6):84-90.
[3]陈国红.大跨度钢斜拉桥锚箱式索梁锚固结构计算方法与力学特性研究[D].上海：同济大学土木工程学院，2009.
[4]陈天地，戴胜勇，曾永平，等.铁路钢桥钢材容许应力取值探讨[J].高速铁路技术，2010,1(2):14-16.
Analysis on vulnerability of large span steel box girder cable stayed bridge cable girder anchorage zone
Ding Xiao
(TongjiUniversity,Shanghai200092,China)
Taking the Sutong bridge as the background, according to the structure of anchor box cable girder anchorage zone, this paper established the finite element model of anchorage zone, from the steel anchor box roof plate, web plate, pressure plate and other aspects, researched the transfer mechanism and the stress distribution features of box anchor cable beam anchorage zone, finally drew some meaningful conclusions.
long span cable stayed bridge, cable girder anchorage zone, steel anchor box, finite element model, vulnerability
1009-6825(2016)21-0165-02
2016-05-18
丁潇(1990- )，男，在读硕士
U448.27
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