斜拉桥索梁锚固区受力有限元分析及其优化设计

刘 雯 宋绪丁 赵 岩 赵 涛

（长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室 西安 710061）

斜索在钢箱主梁上的锚固区是斜拉桥结构中一个极其重要的部位之一，巨大的索力由它传递给钢箱主梁［1］。由于锚箱式索梁锚固结构传力途径明确、索力传递流畅而广泛应用于大跨度钢箱梁斜拉桥的建造。国内已建成的南京长江二桥、南京长江三桥、安庆长江大桥均采用锚箱式索梁锚固结构。由于斜拉桥索梁锚固区受力集中、结构复杂，对该传力结构进行静载强度的研究是十分必要的。本文依托工程实例，采用有限元分析法对锚固区进行应力的计算，研究了锚箱式锚固结构，这种锚固结构是在腹板外侧焊接柱式钢锚箱，拉索锚固在钢锚箱的承压板上。它的传力途径是将巨大的索力传递给承压板，承压板将力传递给腹板，通过腹板传递给部分桥面，应用这种锚固结构的桥梁越来越多。

1 工程概况

某公路大桥主桥为双塔双索面单侧混合梁斜拉桥，桥跨布置为70m＋75m＋84m＋818m＋233．5m＋124．5m，主跨跨径为818m，斜拉索为扇形空间双面所，密索体系，锚固箱结构见图1。锚固区主要由承压板、加劲板以及锚垫板组成。这种锚固结构不仅空间结构复杂［2］，而且在斜拉索巨大的拉力作用下，锚固区域的应力分布规律也比较复杂，需要进行细致的分析。

由于钢锚箱的位置变化，它与桥面的夹角也会有变化，那么导致作用在锚固区的作用力也会发生很大的变化。由于每个梁段的锚固箱模型尺寸不一样，故以某梁段锚固箱模型为例进行分析。本梁段锚固区与桥面的的夹角为27．494°，锚固区的模型见图1，各个板件厚度见表1。

图1 钢锚箱示意图

表1 各板件厚度 mm

2 有限元模型的建立

计算模型选取锚固区域的钢锚箱以及部分桥面板结构，锚固区域的模型包括锚固箱以及部分桥面，加劲板以及一个横隔板。

钢锚箱的锚垫板（N4）与承压板（N3）为顶紧接触，受力复杂，为有效模拟锚垫板（N4）与承压板之间的作用，钢锚箱承压板与锚垫板紧密贴在一起，两者为非线性接触问题，即在锚垫板（N4）与承压板（N3）之间建立接触单元，通过锚垫板与承压板之间的受力计算来判断两者的接触面积，整个模型当中，除了锚垫板采用块体单元，其他板件均采用板壳单元，不考虑锚管的作用，所以在建立模型时，没有建立锚管有限元模型，建立的局部离散有限元模型见图2。

图2 有限元模型

3 索力大小的确定及其结果分析

3．1 最不利索力的确定

近桥塔侧的节段模型截面上所有节点固定［3］，采用UX，UY，UZ3个方向分别固定。由于索力直接作用于锚垫板，故在锚垫板上建立受力圆环，钢箱梁及锚钢材料选用Q345结构钢，弹性模量为206GPa，泊松比为0．3，参考本桥梁设计的斜拉索锚具参数表，得知此处模型对应的受力最大的锚圆环外径为405mm；参考本桥梁设计的斜拉索索力表，得知对应运营阶段最大索力为5 660．6kN，经计算得到圆环受力的大小为135 707kN。

3．2 有限元计算结果分析

在承受最大索力5 660．6kN时，计算得到圆环受力的大小为135 707kN。求解有限元模型之后［4］，承压板与主梁腹板连接区域von Miss应力最大值为158MPa，加劲板（N6）von Miss应力最大值为183MPa，加劲板（N6′）von Miss应力最大值为281MPa，应力分布见图3。

图3 加劲板N6′应力云图

通过查看应力云图3可知，加劲板（N6′）与外腹板链焊接区域应力最大，这是因为应力由承压板传递给加劲板（N6′），同时加劲板（N6′）又将压力传递给外腹板的缘故，此处尖角较为突出，故应力比较大。

建议：承压板与腹板之间还有3个加劲板，通过查看应力云图，可见加劲板最边处应力最大，即与腹板接触的焊缝出应力最大，应该对此处进行倒圆角，并且经常对此处进行查看，维修，加强对此处的关注。

4 优化方案

考虑到锚固区结构复杂，应力由承压板传递给外腹板时，3个加劲板N6′的应力集中较为明显，并且应力高达281MPa，这主要是因为加劲板N6′与锚垫板在焊接处尖角突出，设计不合理的缘故，原加劲板N6′尺寸示意图见图4。为了使加劲板在传递应力时减少尖角处的应力集中现象［5－6］。因此，设计了见图5所示的优化方案。对加劲板尖角处进行倒角，在保证焊缝长度不变的情况下，对焊接尖角处均采取R＝17mm的倒角形式，修改后的尺寸示意图见图5，优化方案有限元计算结果见图6。

图4 原加劲板尺寸示意图

图5 改进后加劲板尺寸示意图

图6 改进后加劲板受力云图

由上图可以看出，优化设计后的N6′最大应力得到很大程度的减少，由原来的281MPa减少到209MPa，缓解了尖角处的局部应力集中现象，因此改进后方案可行。

5 结论

通过对索梁锚固区的有限元建模以及应力分析可知，钢锚箱构件的最大应力均满足要求；索梁锚固区的加劲板边角处的von Miss应力值达到281MPa，是结构应力集中的区域。通过对加劲板的尺寸进行优化设计，可以很大程度上减少应力集中现象，可见优化方案可行，建议在实际的工程应用中采取该优化方案。

［1］ 陈明宪．我国大跨径斜拉桥的建设与展望［R］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2002．

［2］ 黄 勇，程晓东，曾进忠．斜拉桥索梁锚固区受力情况的三维有限元分析［J］．西南交通大学报，2007（2）：10－18．

［3］ 侯文崎，叶梅新．结合梁斜拉桥锚拉板结构研究［J］．钢结构，2002，17（2）：23－27．

［4］ 王嘉弟，赵廷衡．斜拉桥钢箱梁索梁锚固区域应力应变分析［J］．桥梁建设，1997（4）：20－25．

［5］ 杨奇志．大跨连续梁桥加固设计［J］．公路交通科技，2011（2）：14－16．

［6］ 刘炎海，刘志鑫，刘凤奎．三索面斜拉桥索塔锚固区应力及优化分析［J］．建筑科学，2010（11）：16－17．