钢箱提篮系杆拱桥吊耳式锚固结构分析研究

胡 洋

(江苏省交通规划设计院股份有限公司 南京 210005)

钢箱提篮系杆拱桥吊耳式锚固结构分析研究

胡 洋

(江苏省交通规划设计院股份有限公司 南京 210005)

以无锡市杨家圩大桥为背景, 介绍了钢箱提篮系杆拱桥吊耳式锚固体系的结构特点、传力机理; 分别采用经典弹性力学方法和有限元方法计算了耳板应力，结果表面两者计算结果比较接近，弹性力学方法可以作为耳板设计的参考方法。

桥梁工程；吊耳；有限元；接触；锚固

1 拱桥结构特点及锚固体系介绍

提篮式系杆拱桥是一种体外静定，体力超静定的桥梁，具有与相同跨度桥梁相比结构高度小、地质条件要求低、结构稳定性小、总造价低等优点。在公路桥梁工程特别是跨航道桥梁工程中广泛采用。

钢箱提篮拱桥通过锚固体系将系杆承受的重量传递到吊杆，又通过锚固体系将吊杆所受的力传递到拱肋，再传递到下部基础。锚固体系是结构传力的一个重要组成部分。目前在钢箱拱桥上应用的锚固体系主要采用的是钢锚箱结构。钢锚箱结构复杂，钢板多，更换索复杂。另一形式为吊耳锚固形式，吊耳锚固采用单块厚板焊接于拱或梁上，通过销轴和叉耳与耳板连接，再用连接叉耳端部的反向螺栓调节吊杆长度来张拉吊杆。该锚固形式广泛应用于悬索桥领域，由于其结构形式简单，受力明确，更换方便，已逐步推广应用到拱桥领域。

图1 叉耳锚固体系

2 项目介绍

无锡市杨家圩大桥为 82m的下承式钢箱提篮拱桥。全桥跨径组成为：(11× 25)+82 +(20+3×25)m，桥长458m。主桥采用全钢结构，桥面结构为钢纵横梁、混凝土桥面板体系。主桥计算跨径80m,铅直面内投影矢高20m，矢跨比1/4。拱轴线线型为二次抛物线。拱肋为提篮拱形式，拱肋向内倾12度。主桥两拱肋之间的镂空效果通过装饰结构形成。

图2 无锡市杨家圩大桥

图3 拱肋耳板立面

图4 拱肋耳板横断面图

杨家圩大桥采用双吊耳体系，即吊杆与拱肋和系梁均采用吊耳结构。两吊耳按照90度夹角布置。其中拱肋部位吊耳主要由耳板、耳板拱内板、耳板垫板和耳板加劲板组成。在对应吊耳位置拱肋内布置一道拱肋加劲。

主桥每侧拱肋各设置15根吊杆，全桥共30根。吊杆纵桥向间距为4.9m。靠近拱脚处短吊杆采用材质40Cr的高强度合金钢拉杆，直径为φ125mm，钢拉杆中间设调节套筒，可调节量为±100mm，全桥共4根此类吊杆。其余26根吊杆均采用61φ7mm高强度镀锌平行钢丝束，标准强度为1670MPa。吊杆两端均采用吊耳销接在拱肋及系杆上。锚具采用冷铸锚，桥面处锚头为张拉端，拱肋处锚头为固定端。吊杆近张拉端设调节套筒，可调节量为±100mm。吊杆与拱肋平面在横桥向内倾12度。

3 弹性力学计算耳板应力

在吊杆力作用下，耳板式锚固结构的销轴和耳板销孔紧密贴合发生局部变形，两者的接触应力可以通过弹性力学理论进行初步分析。根据弹性力学中赫兹（H.Hertz）证明的理论，椭圆接触面上最大压应力P0，可按下式计算：

对于两圆柱体接触面上最大压力应力的计算，实际上就是接触面椭圆的长半轴短a→∞,短半轴b为有限的特殊情况, 表明接触面变成一个宽度为2b的无限长条带，此时由式（1）可推出如下公式：

将R1取负值, 即是半径R2圆柱体放置在半径R1, 圆柱体套内的情况,则式(4)、(5)有

其中p为沿柱体轴线方向单位长度上的外压力。

对于两个有限长度圆柱体的接触问题, 原则上不能直接采用式(6)、(7)来计算其最大接触压力。由于推导该类问题的理论计算公式较困难, 这里就以(6)、(7)式来近似计算耳板式锚固结构中耳板与销子的接触应力最大值。

杨家圩大桥耳板与销子的接触如图5所示,在此耳板式锚固结构中,圆环内径1=115.5mm,厚度t为40mm,销子外径D2=115mm,设计最大吊杆力为F=1256kN,两种材料的弹性模量均为E=2.06x1011Pa, R1=57.75x10-3m, R2=57.5x10-3m,将这些数据代入式(6)、(7),计算可得耳板的最大压应力p0=199.1MPa。

图5 耳板与销子接触示意

4 有限元计算耳板应力

有限元计算采用MIDAS FEA软件，选取吊耳力最大的中间吊点进行计算，选取一个吊索间距4.9m,边界简化采用两端简支，荷载在吊耳拉索位置作用1256KN的集中力。单元划分：整个拱肋、加劲和横隔板以及吊耳均采用4边形板壳单元，单元尺寸采用20cm,局部模型共计116532个单元，116798个节点。

图6 耳板局部分析模型

图7 耳板局部有限元模型

计算结果：吊耳位置除靠近作用力点有局部集中力外，作用区域附近应力约200Mpa,吊耳应力扩展较快，其余部分应力均较小。

图8 耳板计算结果

图9 加劲板计算结果

吊耳位置隔板和加劲应力如下，在隔板开孔边缘和与拱底部交接处出现最大应力，最大Von-Misee应力为116MPa，其他部分普遍应力在60～70MPa左右。

5 结论

1)通过将经典弹性力学和有限元方法计算表明，两者计算结果相差不大。耳板的最大应力出现在销孔附近, 最大压应力发生在沿索力方向的耳板和销轴的接触区域, 最大拉应力出现在耳板销孔与索力方向垂直的区域。

3)耳板式锚固结构的受力通过销轴以压应力的形式传递给耳板, 由耳板传递到主梁的腹板, 在腹板上应力呈放射状扩散, 传力途径明确。

4)本研究可为杨家圩大桥的锚固结构设计提供设计支持和理论依据, 同时也可为同类结构试验与分析提供参考.

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1007-6344（2016）03-0272-02

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