异形双斜塔斜拉桥索梁锚固和索塔锚固应力计算分析

翁怡军, 郑凯锋, 程 超

(西南交通大学土木工程学院， 四川成都 610031)

异形双斜塔斜拉桥索梁锚固和索塔锚固应力计算分析

翁怡军, 郑凯锋, 程 超

(西南交通大学土木工程学院， 四川成都 610031)

索梁锚固和索塔锚固是斜拉桥控制设计的关键部位，其结构构造和受力情况复杂。文章以异形双斜塔双索面斜拉桥的锚固结构为研究对象。该桥主跨200 m，共设18对拉索；边跨设辅助墩，单侧设4对背索。应用大型有限元软件ANSYS建立锚固结构和全桥板壳单元模型。通过梁单元模型计算最不利荷载工况，再根据实际情况模拟模型边界条件，进行有限元计算分析。重点研究索梁锚固和索塔锚固结构中各主要板件的应力峰值和分布，验证结构设计的合理性，以及提出相应的优化方法。

全桥板壳单元； 索梁锚固； 索塔锚固； 局部应力分析

斜拉桥中主梁承担的巨大竖向荷载由索梁锚固结构传递给拉索，再通过索塔锚固结构传递至桥塔，因此这两个结构均承受较大的集中荷载；其构造复杂，受力情况特殊，通常是控制设计的关键部位[1-2]。为避免在长期动载作用下出现疲劳或强度破坏，拉索锚固结构应尽量传力顺畅，避免出现应力峰值过大的情况。

目前，钢箱梁斜拉桥常见的索梁锚固型式主要有以下4 种：(1) 锚箱式连接，如苏通长江公路大桥、上海长江大桥；(2) 耳板式连接，如法国诺曼底大桥；(3) 锚管式连接，如日本的名港西大桥和生口大桥、汕头宕石大桥；(4) 锚拉板连接，如青州闽江大桥、湛江海湾大桥。

钢桥塔常见的索塔锚固形式主要分为以下4种：(1) 索鞍式锚固，如五河淮河大桥、美国托莱多桥；(2) 采用支承板式的锚固形式；(3) 铰接型锚固形式，如瑞典斯特伦松德桥；(4) 钢锚箱式锚固，如南京三桥和日本多多罗桥。

1 研究背景

本文研究背景为少背索异形双斜塔双索面斜拉桥，跨径布置(70+80+200+80+70) m，全长500 m。索塔高123.727 m，主梁梁高3.5 m，无索区主梁全宽27.5 m，即0.5 m 防撞护栏+8.5 m 机动车道+0.5 m 防撞护栏+8.5 m双线有轨电车专用道+0.5 m 防撞护栏+8.5 m 机动车道+0.5 m。有索区主梁全宽29.5 m，即在无索区两侧各增加1 m 索区宽度。主跨内对称布置18 对拉索，每个桥塔9 对，呈扇形布置，梁上顺桥向索距9 m，横桥向索距28 m；塔上索距2.5～3.9 m，立面角度27.0°～47.1°，水平角度175°～170.9°。每个桥塔设置背索4 对，梁上索距2 m，塔上索距1.83 m，立面角度52.4°，水平角度167.5°，最长索长141 m。主桥桥型总体布置如图1所示。

图1 主桥桥型总体布置

桥梁中钢箱梁及钢锚箱均采用Q345qC钢，有限元模型中材料弹性模量取值为2.1×105MPa，泊松比取为0.3，密度取为7 921 kg/m3。斜拉索采用高强度低松弛平行钢丝索，抗拉极限强度fpk=1 670 MPa，弹性模量Ey=2.05×105MPa。

2 全桥模型和细部构造模拟

利用ANSYS有限元软件，建立全桥模型。钢桥塔和钢箱梁采用板单元，斜拉索采用桁架单元，锚垫板采用实体单元模拟。二期恒载和轮压荷载以面荷载方式施加，斜拉索初拉力以初应变施加。为了准确地进行仿真分析，选索力较大且受整体变形影响较大的中跨最长索，对其索梁锚固和索塔锚固两区域所在位置的前后10 m节段进行网格加密，详见模拟锚固结构。各部件物理特性按前文选取，斜拉索弹性模量暂不折减。由于桥梁为半漂浮体系，辅助墩、边墩均采用约束梁底节点竖向位移的方式。主墩支座与下塔柱建立约束方程，联立两者的竖向位移。节段模型划分网格时采用四边形单元，划分网格类型为：如果可能，则采用映射网格划分，否则采用自由网格划分。锚箱处各构件单元大小为50 mm，过渡节段为1 000 mm，其余各处为3 000 mm，各大小单元之间设有过渡。整个模型共383 646个单元，336 527个节点，全桥模型如图2所示，下塔柱的模型如图3所示。

图2 全桥模型

图3 下塔柱模拟

锚垫板与承压板之间是一种紧压密贴的关系，常用的处理办法有等效板厚法、非线性接触单元法和实体单元加非线性接触单元法等。锚垫板解决的仅是承压板及其周围的局部应力问题，对远离连接处应力影响小。本文采用一种折中的办法：锚垫板由承压板根据承压面积扩展成实体单元，采用几何耦合。如此避开非线性接触单元，降低计算量，又较为准确地模拟出两板紧压密贴的关系。锚垫板受力复杂且不均匀，难以模拟其实际受力，但模型中不关注锚垫板应力，故将斜拉索直接与锚垫板外层中心节点连接。由于纵隔板、顶板、横隔板与钢锚箱焊接，所以直接使板件几何相接。

中跨最长索的索梁锚固和索塔锚固局部模型如图4和图5所示。

图4 索梁锚固模型局部

图5 索塔锚固模型局部

3 索梁锚固详细应力计算分析

通过Midas建立梁单元模型对中跨最长索应力进行影响线追踪，得到最不利活载作用下的拉索应力和活载作用位置，再将该状态下的拉索应力作为迭代目标，并且对模型施加结构自重、二期恒载和车辆轮压，通过试算使施加拉索初应变后得到的拉索应力与目标应力相近，视为索梁锚固和索塔锚固的最不利工况。计算该工况下的，索梁锚固区主要板件的最大主应力、最小主应力和换算应力，汇总见表1。计算模型中各关键板件详细换算应力云图，如图6～图11所示。

表1 索塔锚固各板件局部应力 MPa

图6 锚拉板换算应力(单位:MPa)

图7 承压板换算应力(单位:MPa)

图8 加劲肋换算应力(单位:MPa)

图9 主梁腹板换算应力(单位:MPa)

图10 主梁顶板换算应力(单位:MPa)

图11 主梁底板换算应力(单位:MPa)

跨中索梁锚固区锚拉板最大主应力出现在板件与主梁腹板连接出附近，值为149.7 MPa；最小主应力出现在锚拉板与承压板接触区域，为-215.4 MPa；最大换算应力出现在剪力板与腹板接触下角点，为218.3 MPa；承压板最大主应力出现在锚筒与承压板连接出附近，值为121.4 MPa；最小主应力出现在剪力板与腹板接触下角点，为-145.7 MPa；最大换算应力出现在剪力板与腹板接触下角点，为131 MPa；加劲肋最大主应力出现在与剪切板相交的加劲肋对应的腹板连接处，值为201.4 MPa；最小主应力出现在加劲肋与斜加劲肋相交下角点，值为-203.4 MPa；最大换算应力出现同样出现在加劲肋与斜加劲肋相交下角点，值为216.3 MPa；主梁顶板和底板的应力值分布较为均匀，且峰值较小。

从以上分析结果可以看出，索梁锚固处设计较为合理，除局部应力较大之外，多数处于合理范围之内；但剪力板、加劲肋与腹板连接处交点、承压板与锚筒相交孔处这两个位置的应力相对较大，在设计中应重点关注，可考虑加大加劲肋尺寸或增加厚度。

4 索塔锚固详细应力计算分析

通过ANSYS模型计算得到的索塔锚固区主要板件的换算应力汇总见表2。计算模型中各关键板件详细换算应力云图，如图12～图18示。

表2 索塔锚固各板件局部应力 MPa

图12 承压板M1换算应力(单位:MPa)

图13 加劲板M2换算应力(单位:MPa)

图14 加劲肋M3换算应力(单位:MPa)

图15 锚垫板M4换算应力(单位:MPa)

图16 锚拉板M5换算应力(单位:MPa)

图17 加劲肋M6换算应力(单位:MPa)

图18 加劲肋M7、M8换算应力(单位:MPa)

索塔锚固区承压板上的最小主应力-202.9 MPa，最大主应力150.6 MPa，最大换算应力为226.8 MPa，最小主应力和最大换算应力均出现在最长拉索的承压板与锚管连接处，最大主应力出现在承压板与塔壁板连接的角点处。剪力板上最小主应力-197.6 MPa，出现在拉索剪力板与塔壁连接的角点处；最大主应力154.5 MPa，出现在拉索剪力板与锚管、承压板三者的结合处；最大换算应力171.7 MPa，出现在拉索剪力板与锚管、承压板三者的结合处。塔壁板最小主应力-92.40 MPa，最大主应力131.49 MPa，最大换算应力121.93 MPa，均出现在塔壁与剪力板连接的角点上。

从以上分析结果可以看出，索塔锚固处设计较为合理，除局部应力较大之外，多数处于合理范围之内。但钢箱与剪切板连接处转角、承压板锚下处和钢箱与锚筒相交孔处这三个位置的应力相对较大，应重点关注，可考虑增加板件厚度或加大板件尺寸进行优化。

5 结论

由应力云图结果可知，锚固结构作为荷载传递的关键部位，锚拉板和承压板的受力相对不利。锚拉板应力较大部位集中在与相邻板件连接角点区域，且为锚拉板的加劲肋支撑位置处出现。承压板作为主要传力构件，其最大应力出现在与锚筒和锚垫板的连接处。斜拉索带来的巨大剪力通过承压板传递给锚拉板，随着板的扩散，应力值衰减也较快。

(1) 将全桥组合有限元模型局部网格加密，可详尽模拟索梁锚固、索塔锚固结构，准确模拟边界条件和加劲梁受力，能够提高计算分析的准确性。

(2) 索梁锚固区锚拉板最大换算应力出现在剪力板与腹板接触下角点，为218.3 MPa；承压板最大换算应力出现在剪力板与腹板接触下角点，为131 MPa；加劲肋最大换算应力出现同样出现在加劲肋与斜加劲肋相交下角点，值为216.3 MPa；主梁顶板和底板的应力值分布较为均匀，且峰值较小。索梁锚固处设计较为合理，除局部应力较大之外，多数处于合理范围之内；但剪力板、加劲肋与腹板连接处交点、承压板与锚筒相交孔处这两个位置的应力相对较大，在设计中应重点关注，可考虑加大加劲肋尺寸或增加厚度。

(3) 索塔锚固区承压板上的最大换算应力为226.8 MPa，出现在拉索的承压板与锚管连接处；剪力板最大换算应力171.7 MPa，出现在拉索剪力板与锚管、承压板三者的结合处；塔壁板最大换算应力121.93 MPa，出现在塔壁与剪力板连接的角点上。索塔锚固设计均较为合理，除局部应力较大之外，多数处于合理范围之内；但钢箱与剪切板连接处转角、承压板锚下处和钢箱与锚筒相交孔处这三个位置的应力相对较大，可考虑增加板件厚度或加大板件尺寸进行优化。

[1] 姚玲森.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2] 项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京：人民交通出版社，2013.

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[5] 颜海，范立础.大跨度斜拉桥索梁锚固中的接触问题[J].中国公路学报，2004,17(2):46-49.

[6] 米静，王智龙，陈春羽.基于ANSYS的斜拉桥索梁锚固结构有限元分析[J].山西建筑，2014,40(28): 178-179.

翁怡军(1991～)，男，在读研究生，研究方向为大跨桥梁设计计算和复杂钢桥结构设计。

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[定稿日期]2016-10-18