锚箱式钢桥塔锚固区力学性能研究

李 丹苏庆田，*吴 冲孙旭霞

（1.同济大学桥梁工程系，上海200092；2.同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海200092）

锚箱式钢桥塔锚固区力学性能研究

李 丹1苏庆田1，*吴 冲1孙旭霞2

（1.同济大学桥梁工程系，上海200092；2.同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海200092）

斜拉桥钢塔锚固区是连接斜拉索和桥塔的关键部位，该部位采用钢锚箱结构可以把巨大的斜拉索索力有效传递到桥塔中。以范蠡大桥为背景，建立锚箱式钢索塔锚固区空间板壳有限元模型，并对其进行分析研究。结果表明，锚固区内板件应力分布不均匀，承压板与中隔板的结合处应力集中程度高，但高应力水平区域范围较小，应力扩散较快；斜拉索锚箱和水平拉索锚箱承担的索力比例在相同锚箱长度比例位置较为接近。

钢锚箱，索塔锚固区，力学性能，有限元分析

1 引 言

斜拉桥是由斜拉索、桥塔和主梁三部分组成的。桥面承受的荷载直接作用在主梁上，经斜拉索传递到索塔，再由索塔传递到基础上。连接斜拉索和桥塔的锚固区是斜拉桥中的关键部位，它是实现斜拉索索力传递到索塔中的重要构件。大多数斜拉桥的桥塔一般是平面型结构，桥塔主要以承受轴向力为主，这种桥塔多采用混凝土结构［1］。而对于一些特殊的斜拉桥当其桥塔采用空间结构后，索塔塔柱除了承受轴力作用外，还承受弯矩作用，这种空间型索塔多采用钢结构［2］。对于大跨度斜拉桥混凝土索塔锚固区结构形式有预应力结构、钢锚箱结构、钢锚梁结构、钢套管结构等［4］，国内外许多学者对这些结构的受力特点进行了理论和试验研究［5］，得到了许多有意义的结论，并成功应用于实际工程中。而钢桥塔斜拉桥的工程实例较少，特别是在钢桥塔中采用钢锚箱式的锚固区结构的斜拉桥还不多，对于钢锚箱式钢桥塔锚固区的受力性能研究还未见报道。由于锚箱式钢桥塔锚固区中板件数量多、空间交错布置、结构构造十分复杂，同时该部位受到巨大的斜拉索索力作用，索力在该部位的传递途径如何值得仔细研究。本文以一具体的锚箱式钢桥塔斜拉桥为背景，对其锚固区结构进行力学性能研究，分析其受力特点，得到的结论可为类似工程参考。

2 工程背景

背景工程范蠡大桥是一座全钢结构三塔单索面斜拉桥，跨径布置为（96＋188＋188＋96）m，如图1所示。该桥桥塔为灯笼形，由4根塔柱构成，如图2所示。塔柱为钢结构八边形截面，4根塔柱之间采用上、中、下三组横撑相连。范蠡大桥索塔锚固区采用锚箱式构造，斜拉索通过钢锚箱锚固在与桥梁纵向平行平面的2个塔柱上，纵向的2个塔柱通过水平拉索连接，水平拉索与塔柱通过水平的钢锚箱连接，如图2所示。每个索塔的一个塔柱中有18个斜拉索锚箱和18个锚箱，同一高度处的斜拉索锚箱和水平拉索锚箱各有2个，2个锚箱对称布置在塔柱的竖向中隔板上。钢锚箱由1块承压板、2块支承板、2块内部加劲板和6块外部加劲板组成。锚箱的承压板及两块支承板与中隔板通过焊接连接。塔柱内所有锚箱的板件厚度为承压板30 mm，支承板30 mm，加劲板26 mm，中隔板36 mm。

图1 范蠡大桥总体布置图（单位：m）Fig.1 General layout of the Fanli Bridge（Unit：m）

图2 范蠡大桥桥塔构造图及锚箱构造图（单位：mm）Fig.2 Structural diagram of the pylon and the anchoring box（Unit：mm）

3 计算模型

为了分析钢索塔锚固区力学性能，采用大型通用有限元程序ANSYS建立空间斜拉桥中间一个完整桥塔的板壳有限元模型，如图3（a）所示，详细模拟塔柱和锚固区各个板件，如图3（b）所示。模型采用SHELL63单元模拟塔柱及锚固区所有钢板。

模型中钢材弹性模量取2.1×108kN／m2，容重取78.5 kN／m3。

荷载取最不利荷载组合进行验算，单根拉索索力见表1。表中，锚箱编号1～9分别是塔柱中从上到下的9个锚箱编号。

将斜拉索与平行索的索力以面荷载的形式施加于锚箱承压板上。考虑锚箱锚垫板对应力的扩散作用，荷载作用于承压板圆环面积上。边界条件是将塔柱底部固结。

图3 结构模型示意图Fig.3 FEModel of the structure

表1 最不利荷载组合索力Table 1Themost harm ful cable force kN

4 计算结果

4.1 钢锚箱的应力

通过有限元模型计算分析，得到整体索塔和锚固区板件的详细受力情况。由于整个桥塔的18个斜拉索锚箱和18个平行索锚箱的受力相对均匀，限于篇幅这里选取斜拉索锚箱2进行板件受力特性分析。

图4为从不同角度观察的斜拉索锚固区Mises应力分布图。从图中可以看出，拉索锚固区附近钢板的应力明显高于塔柱壁板上钢板的应力，锚固区附近承压板、支承板的应力比其他部位的大，最大应力出现在承压板与中隔板相交处，最大Mises应力约为260 MPa，其他部位板件的Mises应力大部分在120 MPa以下。

图5为斜拉索锚箱承压板上下表面的应力分布图。从图5（a），（b）中可以看出，承压板Mises应力分布很不均匀，上表面的应力比下表面的大，与中隔板相交处上表面Mises应力大多在200～260 MPa范围，而下表面该位置的Mises应力大多在120～200 MPa范围。此外，承压板在上下支承板及内部加劲板之间的应力大多在60～140 MPa范围，承压板在上下支承板及内部加劲板以外范围的应力较小，大多在50 MPa以下。

从图5（c），（d）中可以看出，承压板横向以中隔板和内部加劲板为支承发生局部弯曲，使得横应力分布很不均匀，在支承位置上表面受拉、下表面受压，在与中隔板相连位置的承压板上、下表面的拉、压应力最大，上表面的最大拉应力为270 MPa，下表面的最大压应力为252 MPa，其他部位上下表面的应力较小。

图4 锚固区Mises应力分布图（单位：kPa）Fig.4 Mises stress contour of the anchorage zone（Unit：kPa）

从图5（e），（f）中可以看出，承压板竖向以上下支承板为支承发生局部弯曲，使得竖应力分布很不均匀，在支承位置上表面受拉、下表面受压且应力最大，上表面的最大拉应力约160 MPa，下表面的最大压应力约140 MPa，其他部位上下表面的应力较小。

图5 承压板应力分布图（单位：kPa）Fig.5 Stress contour of the bearing plate（Unit：kPa）

图6 为斜拉索锚箱支承板沿斜拉索方向的应力分布图。从图中可以看出，与中隔板相连位置的支承板在靠近承压板处的拉应力较大，最大应力为125 MPa，此外，支承板在靠近承压板边缘的压应力较大，在支承板内表面处的压应力明显比外表面的大，最大压应力为220 MPa左右，支承板在其他位置的应力相对较小。

图7为桥塔中隔板Mises应力分布图。中隔板承受着承压板与支承板传递来的荷载，在与承压板、支承板相交角点处应力较大，最大Mises应力达到约130 MPa。中隔板由于对称受力，并无面外弯曲效应，这与常规的斜拉桥中索梁锚固腹板受力有较大的不同。

以上的分析表明，锚固区各个板件的Mises应力在板件相交处较大，但均未超过材料的屈服应力，结构安全。

4.2 斜拉索索力传力分析

根据前文钢锚箱的应力分布规律知道，斜拉索索力首先传递到承压板上，通过承压板、支承板与中隔板间的三道焊缝把全部的索力传递到中隔板上。为了清楚描述钢锚箱这三道焊缝在不同长度所承担的索力大小，计算钢锚箱沿长度方向不同位置上的支承板的压力总和，得到距离承压板不同位置处钢锚箱承担索力比例，如图8所示。

图6 支承板应力分布图（单位：kPa）Fig.6 Stress contour of the bracing plate（Unit：kPa）

图7 中隔板Mises应力分布图（单位：kPa）Fig.7 Mises stress contour of the diaphragm（Unit：kPa）

从图8（a）中看出，对于斜拉索锚箱在距离承压板0.2 m位置时，钢锚箱承担了63%～80%的斜拉索索力，其他20%～37%的索力已经传递到中隔板上，在距离承压板0.8 m位置时，钢锚箱还承担了21%～37%的斜拉索索力，在距离承压板1 m位置时，钢锚箱承担的斜拉索索力低于20%。另外，钢锚箱承担的索力比例在不同锚箱中略有不同，随锚箱倾角增大，锚箱分担索力比例增加。

从图8（b）中看出，对于水平拉索锚箱在距离承压板0.1 m位置时，钢锚箱承担了60%的水平拉索索力，其他40%的索力已经传递到中隔板上，在距离承压板0.4 m位置时，钢锚箱还承担了20%左右的水平拉索索力。另外，钢锚箱承担的索力比例在不同锚箱中基本相同，主要是因为所有的水平拉索角度完全相同。

对比图8（a）和图8（b）可知，由于斜拉索锚箱和水平拉索锚箱长度不同，使得在距离承压板相同位置处钢锚箱承担的索力比例不同，但是在距离承压板长度相同比例位置处二者承担的索力比例比较接近，如在距离承压板1／6锚箱长度（斜拉索锚箱长度1.4 m，水平拉索锚箱长度0.6 m）时二者承担的索力比例约为60%，在1／2锚箱长度时二者承担的索力比例约为37%，在2／3锚箱长度时二者承担的索力比例约为20%。

图8 钢锚箱承压比例Fig.8 Cable forces being shared by the steel anchoring box

5 结 论

本文以宜兴范蠡大桥为背景，通过建立空间板壳有限元程序，对锚固区板件应力状态、传力途径等方面进行研究分析，分析表明：

（1）钢锚箱结构中各板件受力复杂，承压板、支承板以及中隔板的应力分布很不均匀，在较小部位的应力较大，大部分板件的应力较小。各板件Mises应力在260 MPa以下，板件的单向正应力最大值为270 MPa，高应力区域范围较小，应力扩散较快，钢锚箱承载能力满足要求。

（2）锚箱式结构中，拉索索力通过承压板、支承板与中隔板间的三道焊缝把全部的索力传递到中隔板上，钢锚箱承担的索力比例在距离承压板位置不同而不同，但对斜拉索锚箱和水平拉索锚箱其承担的索力比例在相同锚箱长度比例位置较为接近。

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M echanical Properties of the Box-shaped Anchorage Zone in a Cable-stayed Bridge Steel Pylon

LIDan1SU Qingtian1，*WU Chong1SUN Xuxia2
（1.Department of Bridge Engineering，Tongji University，Shanghai，200092；2.Tongji Architecture Design Institute（Group）Co.Ltd.，Tongji University，Shanghai，200092）

As a critical structural component in the pylon that connects cables of a cable－stayed bridge，the anchorage zone serves to pass the cable force to the pylon.Based on the Fanli Bridge，a shell finite element model is built to analyze mechanical properties of box-shaped anchorage zone in a steel pylon.The research shows that stress distribution of plates in the anchorage zone is non-uniform.Stress concentration is severe in the joints between bearing plate and diaphragm but the region of stress concentration is limited.The ratio of the bearing cable force in inclined cable anchorage zone and that in the horizontal cable anchorage zone is close when these two cables have the same length ratio in the anchorage zone.

steel anchoring box，cable-pylon anchorage zone，mechanical property，finite element analysis

2013-04-01

*联系作者，Email：sqt＠tongji.edu.cn