钢管混凝土拱桥锚箱式索梁锚固结构疲劳性能研究

曹 平

(中铁二十一局集团有限公司勘察设计院，甘肃 兰州 730000)



钢管混凝土拱桥锚箱式索梁锚固结构疲劳性能研究

曹 平

(中铁二十一局集团有限公司勘察设计院，甘肃 兰州 730000)

为研究锚箱式索梁锚固结构的抗疲劳性能是否满足设计要求，结合马道口钢管混凝土系杆拱桥，利用有限元软件MIDAS/FEA对钢锚箱结构的受力状态进行理论计算分析，并进行了钢锚箱的足尺模型疲劳试验。结果表明：锚箱构件的应力受吊杆定位精度以及索力值的影响较大，实际施工过程中，必须精确定位安装吊杆锚固体系；经过200万次的循环加载后，锚箱构件所有测点的应力值都满足规范有关钢结构疲劳强度的要求，锚箱结构具有一定的抗疲劳安全储备。

钢管混凝土拱；锚箱式索梁锚固结构；有限元分析；静载和疲劳试验

随着大跨度系杆拱桥的不断发展，其跨度的增大对桥梁本身的索梁锚固结构提出了更高的要求。新建铁路鳞游矿区至宝鸡二电厂专用线马道口系杆拱为64 m钢管混凝土系杆拱，本桥计算跨径64 m，梁长65.4 m。其主梁采用等高度单箱双室箱形截面，梁长65.4 m,梁高2.5 m。拱肋采用钢管混凝土结构，矢高为12.8 m，矢跨比1/5，拱轴线为二次抛物线，方程为Y=0.8X-0.012 5X2，起拱线位于梁顶下1.1 m。拱肋和箱梁之间采用吊杆连接，共设有两排11对吊杆，除拱脚至第一根吊杆间距为8.0 m外，每对吊杆中心距为4.8 m，采用PESFD7-55新型低应力防腐成品索体。主梁与吊杆采用钢锚箱锚固形式，材料为Q345QqE钢材。因为锚箱结构构造复杂，受力集中，局部应力大，是整个桥梁的关键传力构件，巨大的索力由锚固结构传给主梁，是控制设计的关键部位[1]，且锚固区受索力的直接作用，特别是在车辆移动荷载作用下由于索力变化而产生的影响较大。因此，对这种复杂焊接锚固结构的强度和疲劳性能应引起高度重视，有必要对其进行相关实验研究，以检验其承载能力和抗疲劳性能是否满足设计要求，从而保证全桥结构的安全运营、提高结构耐久性、延长使用期限。

1 有限元模型分析

为了确定疲劳试验模型的加载方案以及对锚箱式索梁锚固结构受力状态进行理论分析，利用有限元软件MIDAS/FEA建立了钢锚箱局部空间模型，其中，X方向表示纵桥向，Y方向表示横桥向，Z方向为竖向。采用3D单元模拟了马道口钢管混凝土系杆拱桥的下锚箱，由圣维南原理[2]可知，在锚箱螺栓锚固处，很容易产生应力集中，故此处单元划分予以适当加密，共划分单元47 781个。为了更准确地模拟锚箱受力，对锚箱底部部分节点进行了全约束，约束了螺栓Y方向的位移并施加向下的面荷载模拟该处受力，锚垫板处也施加了面荷载模拟吊杆对锚箱结构的压力, 如图1所示。

图1 有限元模型边界约束条件以及荷载的施加

利用有限元模型对锚箱结构进行了静力加载模拟分析，静力试验与疲劳试验的最大荷载Pmax=800 kN，与疲劳试验的上限一致，设置4个加载等级以模拟吊杆张拉力的变化，即200 kN，400 kN，600 kN，800 kN。限于篇幅，本文仅给出了荷载等级为800 kN时锚箱结构的应力云图结果，如图2所示。

有限元计算分析结果显示，吊杆端头锚固区域的应力水平较为显著；加载等级由200 kN逐级变化至800 kN，结构的应力变化基本呈线性递增，表明锚箱结构一直处于线弹性受力状态；从锚箱结构的应力云图可以看出，锚箱钢板交接处的应力水平相对较高而且复杂，此处焊缝质量的好坏直接影响到结构的受力，应在此处布置测点以了解此关键区域的应力变化。

图2 荷载等级为800 kN时结构应力云图

2 静载和疲劳试验

2.1 试验模型设计

锚箱疲劳试验采用足尺模型[3]，即采用与实际锚箱尺寸相同的构件进行试验研究。试验模型详细构造及加载方式见图3[4]。本次试验加载频率3 Hz，共加载200万次。

2.2 静载试验测试结果

根据有限元计算分析结果，应在应力水平相对较高的锚箱钢板焊接处布置测点[5]，具体布置如图4所示，一共粘贴应变花4个。在进行疲劳试验前，对模型进行静载试验，为保证试验模型不被破坏，静载试验的荷载应分级施加。疲劳试验完成后，如果试件仍未破坏，即进行静载试验，静载试验按3倍的承载力分级施加。

图3 锚箱加载布置图

图4 测点布置图

静力试验与疲劳试验的最大荷载Pmax=800 kN，与疲劳试验的上限一致，荷载分级为0 kN、200 kN、400 kN、600 kN、800 kN。静力试验数据采用DH-3817静动态应变测试仪进行采集。锚箱构件在经过 200万次的疲劳荷载后均未产生破坏，疲劳试验后的静载试验结果与疲劳加载前静载测试结果相比，未产生太大的变化，限于篇幅，仅给出了测点3疲劳试验后的静载测试结果，如图5所示。

图5 测点3应力变化情况

2.3 疲劳试验测试结果

疲劳试验采用常幅正弦波荷载，上限Pmax=1 050 kN，下限Pmin=100 kN。采用的试验机加载频率为3 Hz。加载次数共200万次。为了监测各点应力，在试验过程中每加载40万次，停机检查静载应变测量，并检查是否出现可见微裂缝或异常情况。疲劳试验应变数据采用 DH-3817动态应变测试系统进行采集。限于篇幅，本文仅给出测点3的疲劳测试结果，如图6所示。

疲劳试验前后对构件进行了静力加载，荷载等级由200 kN逐级变化至800 kN的过程中，结构各关键测点的实测应力呈线性变化，卸载后构件的残余应力水平较低，说明疲劳加载后锚箱构件仍处于线弹性范围内，其抗疲劳性能满足设计要求[6]；静载试验应力实测值与理论计算值吻合良好，说明本次有限元分析过程中边界条件的模拟、荷载的施加较为准确。从锚箱构件的疲劳试验应变时程曲线可以看出，整个试验过程中未出现超过规范容许值的应变，说明焊缝测点处焊接质量满足要求[7]。

图6 测点3应变时程曲线

3 结束语

(1)通过与疲劳加载前后静载试验实测结果的对比分析可知，理论值与实测值吻合良好，充分说明了有限元仿真模型的建立、边界条件的模拟、荷载模式的选择以及构件物理参数的取值均符合现场实际。

(2)由静载试验结果与理论模型计算的对比分析结果可知，锚箱构件的应力受吊杆定位精度以及索力值的影响较大，实际施工过程中，必须按照设计要求的定位精度安装吊杆锚固体系[8]。

(3)通过对锚箱结构疲劳试验应力时程反应的分析可得，经过200万次的循环加载后，锚箱构件所有测点的应力值都满足规范有关钢结构疲劳强度的要求，锚箱结构具有一定的抗疲劳安全储备[9]。

[1]周金枝，张帆.厦漳大桥索梁锚固结构疲劳试验研究[J].公路工程,2012,37(04):132-134.

[2]朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].北京：水利电力出版社，1978.

[3]赵顺波.工程结构试验[M].郑州:黄河水利出版社,2001.

[4]郑纲，王天亮.猎德大桥吊索锚箱传力和疲劳性能试验方案设计[J].世界桥梁,2009(1):49-52.

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[6]GB50017-2003.钢结构设计规范[S].

[7]陈传尧.疲劳与断裂[M].武汉:华中科技大学出版社,2002.

[8]葛春民.大跨度钢管混凝土系杆拱桥锚箱定位技术研究[J].城市道桥与防洪，2011(2)：57-59.

[9]曾超，奚绍中.随机荷载作用下钢构件的疲劳可靠度研究[J].西南交通大学学报，1994，29(1)：14-17.

Research on fatigue behavior of cable-girder anchorage for concrete-filled steel tubular arch bridges with steel anchor box

CAO Ping

(ChinaRailway21stBureauGroupCo.,Ltd,Lanzhou730000,China)

To study whether the fatigue behavior of cable-girder anchorage with steel box girders whether meets design requirements, the stress state of steel anchor box of concrete-filled steel tubular arch bridges in Madoukou is theoretically calculated by the finite element software MIDAS/FEA and fatigue test of the full-scale model of steel anchor box is done. The results show that stress of the anchor box structure is greatly influenced by suspender-positioning accuracy and cable force value. Therefore, the suspender anchor system must be accurately positioned and installed in actual construction process. In addition, stress value of all points of steel anchor box meet specification requirement on the steel structure fatigue strength after 2,000,000 load cycles and anchor box structure has a certain anti-fatigue safety reserves.

concrete-filled steel tube arch; anchor box cable-girder anchorage; finite element analysis; static load and fatigue test

2015-01-28

曹 平(1987-)，男，甘肃临洮人，硕士，助理工程师。

1674-7046(2015)02-0017-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2015.02.004

U441+.4

A