悬索桥柔性中央扣锚固系统受力分析

曹永睿，柴增铧

(北京建达道桥咨询有限公司，北京 100015)

悬索桥是以主缆受拉为主要承重构件的柔性缆索桥梁结构。在活载、制动力和风荷载的作用下，加劲梁与主缆之间纵桥向、横桥向会产生相对位移，吊索出现倾斜和局部弯曲，特别在主跨跨中位置吊索最短，受其影响最大。分析表明，悬索桥跨中设置中央扣可有效地提高全桥刚度，减小加劲梁的纵向位移，增大整体的自振频率，并可部分改善跨中位置吊索的弯折和疲劳问题［1］。索梁锚固结构是一个传力复杂，局部应力大且应力集中效应明显，易出现疲劳和强度破坏的区域［2］，必须采用空间有限元的方法对其进行局部受力分析，以获得系统中各个板件的应力分布情况和规律。耳板式索梁锚固系统在钢箱梁斜拉桥上已有大量应用，有限元仿真分析和模型试验结果共同验证了这种索梁锚固结构传力的可靠性和构造的合理性［3-5］

本文详细介绍了柔性中央扣系统的构造和设置方法，并基于大型通用有限元分析程序ANSYS对耳板式中央扣斜拉索、梁锚固系统进行了空间有限元分析，研究了该系统的传力机理及应力分布情况，取得了一些有价值的结果，为今后在同类悬索桥上设置柔性中央扣时提供了有意义的参考。

1 工程背景

岳阳洞庭湖二桥主桥为主跨1 480 m的钢桁加劲梁悬索桥，主缆分跨为(460+1 480+491)m，主缆矢跨比为1/10，主缆横桥向间距为35.4 m，吊索顺桥向间距为16.8 m。主桥总体立面如图1所示。

图1 主桥总体立面(单位:m)

主梁为考虑板桁共同作用的板桁结合钢桁加劲梁。钢桁梁由主桁架、主横桁架、下平联和钢桥面系组成，主桁节点采用焊接整体节点板技术。主桁架的桁高为9 m，标准节间长为16.8 m，两片主桁架左右弦杆中心间距与主缆间距相同均为35.4 m。主桁架为带竖腹杆的华伦式结构，由上弦杆、下弦杆、竖腹杆和斜腹杆组成。主横桁架采用单层桁架结构，由上横梁、下横梁、外侧斜腹杆、竖腹杆和内侧斜腹杆组成。下平联采用K形体系。钢桥面系采用正交异性桥面，由桥面板、U形加劲肋、纵向板肋、桥面横梁、桥面横肋和工字形纵梁组成，主桥横断面布置图如图2所示。

图2 主梁横断面布置(单位:mm)

主缆采用预制平行钢丝索股(PPWS)，小边跨和主跨由175股、大边跨由181股，每股由127根直径为5.35 mm、公称抗拉强度为1 860 MPa的高强度镀锌钢丝组成。吊索分为两类:一类是直径68 mm、公称抗拉强度1 870 MPa的钢丝绳，结构形式为8×41WS+IWR;另一类是直径88 mm、公称抗拉强度1 960 MPa的钢丝绳，结构形式为8×55SWS+IWR。吊索与索夹为骑跨式连接，与钢桁梁为销铰式连接。

索塔采用门式框架塔，索塔单塔柱下设40根D280桩基础。两岸锚碇均为地连墙基础重力式锚。起点侧索塔处加劲梁设横向抗风支座，终点侧索塔及锚碇处设竖向支座和横向抗风支座。

2 柔性中央扣设置方法及梁端锚固方式研究

中央扣自从1950年在Tacoma新桥上使用以来，发展形成了3种设置方式:①用刚性三角桁架将主缆与加劲梁联结，使缆、梁在跨中处相对固定，即刚性中央扣;②在跨中加设1对或多对斜吊索来建立缆梁纵向约束，即柔性中央扣;③将主缆直接与加劲梁相联结。坝陵河大桥在国内首次采用了柔性中央扣，矮寨大桥也采用了柔性中央扣。

本桥在每根主缆跨中设5个钢丝绳柔性中央扣，对称布置于跨中中间吊索两侧。柔性中央扣主要包括3部分:中央扣拉索系统、主缆中央扣索夹系统和加劲梁锚固系统。

中央扣拉索系统采用直径88 mm、公称抗拉强度1 960 MPa的钢丝绳，结构形式为8×55SWS+IWR;索夹处为骑跨式连接，加劲梁处为承压式热铸锚头;锚头由锚杯和螺母组成，锚杯内浇铸锌铜合金，使钢丝绳与锚杯相连，调节螺母可以消除制造、安装误差，材料采用35CrMo合金钢。

主缆中央扣索夹系统采用左右对合的结构形式，左、右两半索夹用螺杆紧箍于主缆上，接缝处嵌填入橡胶防水条，索夹上另外加设两个能套挂短斜索的由凸肋条形成的凹槽。中央扣索夹设计长度3.38 m，壁厚45 mm，材料为ZG20Mn的低合金钢铸件。索夹上下安装25个高强螺栓，提供足够的紧箍力，防止在纵向荷载作用下主缆和索夹间的相对滑移。

柔性中央扣斜拉索梁端锚固系统采用耳板式(销铰式)锚固系统，该方案中央扣构造如图3和图4所示。该锚固系统由上弦杆腹板向上扩展出的整体节点板形成的耳板和主桁架上弦杆腹板间的两块横向加劲肋焊接而成。在锚固耳板上开有销孔，在销孔两侧设置了两块贴板对耳板销孔处进行加强。

图3 中央扣斜拉索构造

3 中央扣梁端锚固系统局部受力分析

图4 梁端中央扣节点构造(单位:mm)

中央扣斜拉索索力通过下端的叉形吊耳传递给销铰连接件，销铰连接件又传递给锚固耳板，之后通过上弦杆腹板逐步将索力传递到整个主桁架结构。锚固系统中销铰连接传力情况复杂，销轴主要受剪、受弯以及承压;耳板孔壁承压，孔侧、孔端截面受拉，切面上的拉应力和压应力分布很不均匀。大部分区域处于双向应力状态，为了解锚固系统的应力分布必须对其进行空间有限元分析。总体计算时中央扣斜拉索的最大索力为1 250 kN，计算时以此索力为外荷载施加到模型上。

分析时选取跨中附近两对中央扣交汇位置的钢桁梁加劲梁段为研究对象。为了减小边界条件对计算模型的影响，根据圣维南原理和加劲梁结构的对称性，在沿桥纵向取16.8 m长的梁段为研究对象，即从中央扣中心线沿桥跨方向两侧钢桁梁8.4 m一个节间。模型的两端位于相邻节间的吊索中心，不考虑模型端部吊索的影响。横向取至桥面跨度一半处，竖向取整个钢桁梁结构。考虑到所取的主梁节段足够长，局部分析模型的边界条件为:纵桥向模型两端截面上所有节点固结;横桥向在主梁节段模型的横向桥面宽度一半处截面上施加对称约束。

建模时将整个结构视为匀质弹性体，钢桁梁及钢锚箱材料选用Q345qD结构钢，各向同性材料，弹性模量取为 2×105MPa，泊松比为 0.3，密度为7 850 kg/m3。钢桁梁各弦杆和正交异性桥面板均用ANSYS程序中的4节点弹性壳Shell63单元进行模拟。考虑到耳板销孔两侧焊有贴板进行加固，该贴板区域用8节点弹性厚壳单元shell93模拟。加载时假定索力通过销轴均匀施加在耳板销孔沿斜拉索方向的上部半圆环上。有限元模型共计50 471个节点、51 733个单元。

图5 中央扣Mises应力(单位:MPa)

中央扣锚固耳板Mises应力分布如图5所示。由图5可以看出，在沿索力方向与销轴接触的孔壁附近出现了小范围的应力集中，最大Mises应力为237.1 MPa。由于销轴对孔壁的挤压，形成巨大的局部压力，因此耳板销孔前半周的应力最大。远离销孔侧的节点板上应力分布较均匀，应力扩散很快。应力数值均在130 MPa以下，说明耳板两侧贴板对销孔起到了很好的加强和应力分散作用。耳板内两块加劲板应力数值并不大，说明加劲板并不是主要的传力构件，仅起到在横向保持节点板稳定的作用。计算结果表面，该锚固系统的应力分布情况能满足设计要求。

4 结论

本文以在建的岳阳洞庭湖二桥主桥为例，研究了柔性中央扣的构造组成和锚固系统的传力机理，并采用空间有限元方法建立了耳板式锚固系统的局部受力计算模型，分析了锚固区的应力分布和应力集中现象。根据以上分析可以得出如下结论:

耳板式锚固系统锚固区应力在耳板销孔附近很小范围内数值较大，在耳板销孔两侧设置贴板对其进行加强后，销孔外其余位置应力扩散很快，应力传递流畅。另外销铰接头带有自润滑轴承，可减小斜拉索的弯折，改善斜拉索的工作条件。

在进行钢桁梁悬索桥柔性中央扣索、梁锚固方式设计时，可优先考虑在梁端采取耳板式锚固系统。此种锚固系统构造简单，后期检修维护方便，更适合在索力不太大又受结构安装空间限制的钢桁梁悬索桥上使用。

［1］高剑，刘高，曾宇.贵州坝陵河钢桁架悬索桥中央扣设计［C］//中国公路学会桥梁和结构工程分会2007年全国桥梁学术会议论文集.北京:人民交通出版社，2007:101-106.

［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］.土木工程学报，2001，37(3):73-79.

［3］刘庆宽，强士中，张强，等.斜拉桥耳板索梁锚固结构受力特性研究［J］.中国公路学报，2002，15(1):72-75.

［4］卫星，强士中.斜拉桥耳板式索梁锚固结构的空间分析［J］.中国铁道科学，2004，25(5):67-71.

［5］朱劲松，肖汝诚，曹一山.杭州湾跨海大桥索梁锚固节点模型试验研究［J］.土木工程学报，2007，40(1):49-53.