帆型钢塔锚固区应力分析与构造优化设计

孟续东

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

帆型钢塔锚固区应力分析与构造优化设计

孟续东

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

为研究帆型钢塔锚固区应力分布以及传力机理，以宁波滨海五路跨路中湾江桥（单索面独塔斜拉桥）为工程背景，基于有限元软件MIDAS FEA 3.6.0，采用等效板厚法，建立了钢塔GT8#节段全实体单元有限元模型，对主要受力板件应力分布、传力机理进行了分析。结果表明：钢锚箱各板件Von Mises应力均小于200 MPa，满足规范要求；钢锚箱承剪板与钢塔内外腹板连接处存在应力集中，但范围分布有限，应力扩散较快；通过对比水平钢拉杆三种不同的截面型式，确定了丰字形，既能满足受力需要，又简化了节点构造，降低了钢结构加工制造难度。通过分析不同翼缘伸入塔肢长度对锚固区应力分布的影响，提出了采用2倍钢拉杆高度为最优设计方案。

索塔锚固区；传力机理；应力分析；钢拉杆；节点设计

0 引言

随着城市桥梁建设飞跃发展，人们对桥梁美学要求越来越高。斜拉桥作为成熟的设计桥型，因其施工技术成熟，建设条件要求低，造型多样，能展现出城市的个性，在桥型比选中被广为推荐采用[1]。在多样的索塔选型中，帆型索塔因具有独特的造型，扬帆远洋的深刻寓意，广受建设者们青睐。索塔的造型及美观需求必然导致复杂的结构设计，桥梁工程师需要兼顾外形美观来解决构造设计的合理性、加工制造的可行性以及工程造价的经济性。连接斜拉索和桥塔的锚固区是斜拉桥中的关键部位，是实现斜拉索索力传递安全、均匀地传递到塔柱的重要构造。索塔锚固区采用钢锚箱这一结构型式，在国内已有多座桥梁运用[2]。目前，对于钢锚箱式钢塔锚固区受力性能已有研究[3]，但对带钢拉杆节点构造的帆型钢塔结构，尚无研究案例。因此，本文以宁波滨海五路跨路中湾江桥为背景，建立了全板壳单元有限元模型，研究其应力状态、索力传递机理和应力集中现象，并通过对比分析，指导并优化索塔锚固区结构设计。

1 工程背景

宁波滨海五路跨路中湾江桥是一座独塔单索面斜拉桥，跨径布置为83 m+83 m，全长166 m，如图1所示。桥梁结构采用塔梁墩固结体系，主墩不设支座，边墩设置盆式橡胶支座。主梁采用预应力混凝土箱梁，梁高2.713 m。

图1 滨海五路跨路中湾江桥立面布置图(单位：m)

主塔采用帆型钢索塔，塔高约61.414 m，其构成包括承台以上11.030 m混凝土塔梁墩座、4.2 m钢混过渡段以及46.183 m钢塔段。钢塔段共计9个节段，长度约4～7.8 m，拉索区标准节段长5.0 m，如图2所示。钢塔柱断面尺寸为2.5 m（横桥向）× 2.1～2.7 m（纵桥向），单箱双室结构，内设一道中腹板，塔柱内外侧分别设置半径1.2 m和0.4 m圆弧，如图3所示。

图2 GT8#节段立面图(单位：mm)

图3 GT8#节段平面图（单位：mm）

全桥44根共22对斜拉索，梁上拉索间距6 m，塔上索距 2.0～2.2 m，拉索采用了 PES7-151、PES7-163两种规格。塔端锚固系统采用钢锚箱，结构长700 mm，承压板厚40 mm，锚垫板板厚60 mm，端承板厚30 mm，其余加劲板厚30 mm。

2 有限元计算模型

选取索力最大的1#斜拉索及其对应的GT8#钢塔节段作为研究对象，基于有限元软件MIDAS FEA 3.6.0，采用等效板厚法，建立包括1#斜拉索、2#斜拉索在内的GT8#钢桥塔板壳元模型。为消除边界效应对钢锚箱及钢拉杆受力区的影响，根据圣维南原理，沿桥塔纵向选取高度为8 m的节段，并在两端施加固定约束；同时考虑到计算代价，利用桥塔对称性，建立1/2模型并施加对称约束；模型索力以均布荷载的方式施加，加载位置为锚头锚圈在锚垫板上的圆环形投影面，加载索力取全桥整体模型在最不利荷载组合下的最大索力4 270 kN；对于重点局部分析区域，有限元网格进行了细化。有限元模型如图4所示。

图4 GT8#节段1/2模型

3 计算结果

3.1 钢锚箱应力结果分析

钢锚箱在斜拉索索力作业下，应力分布复杂，不均匀程度严重[4]。钢锚箱Von Mise应力由图5可知，钢锚箱整体应力不大，最大值为143.9 MPa，平均应力约80 MPa，局部范围出现应力集中现象，主要区域集中在承压板与锚箱加劲板、承剪板与钢塔腹板等板件连接处。由于加载索力不大，应力集中机制相对较小，且扩散较快。

图5 钢锚箱整体Mise应力分布云图（单位：MPa）

承压板应力分布云图如图6所示。由图6中可知，承压板应力不大，但分布极不均匀，极值分布范围小，主要集中在承压板与加劲肋、承剪板、钢塔腹板之间的连接处。

图6 承压板Mise应力分布图（单位：MPa）

承剪板应力分布云图如图7所示。由图7中可知，承剪板传力机理主要集中向钢塔中腹板侧，此区域应力相对较大，而传递至塔柱外壁应力较小。因此，设计过程中，可以适当增加钢塔中腹板板厚，减低外塔壁板厚，从而达到节约钢材、降低工程造价的目的。但改变塔柱钢板板厚所引起构件刚度变化，会增加中腹板所分担的应力水平，同时应力集中现象也会越加明显，应引起注意。

图7 传剪板Mise应力分布图(单位：MPa)

3.2 钢索塔应力分布

钢索塔中腹板应力分布云图如图8所示。由图8可知，整个中腹板应力分布均匀，传力顺畅，承剪板与腹板连接端处存在一定应力集中。作为索塔锚固区受力最大的构件，中腹板传力机理呈现由承剪板与腹板连接区，向钢拉杆区扩散的应力分布特点；同时相邻两根斜拉索锚固区应力分布存在一定叠加，应力较小（61.03 MPa），说明设计方案中塔上索距布置较为合理。

图8 中腹板Mise应力分布云图（单位：MPa）

塔壁应力分布如图9所示。由图9可知，外塔壁传力机理与中腹板存在一定差异。由于远离钢拉杆区，斜拉索力通过钢锚箱传递至外塔壁后，在锚固区前端，向下进行扩散，并与相邻拉索锚固区发生叠加，这与中腹板是不同的，设计中应予以注意。同时，外塔壁景观造型的要求，在钢锚箱与外塔壁截面圆弧连接处，出现应力集中，最大应力207.7MPa，但应力分布范围小，扩散较快，在此薄弱区，现场施工应加强对焊缝的质量控制。

图9 塔壁Mise应力分布云图（单位：MPa）

3.3 钢拉杆优化设计对比分析

结合帆型索塔造型分析其结构受力，斜拉索水平分力需要依靠钢拉杆平衡，其中主要依靠强大的中腹板传递内力。劲型骨架加劲伸入索塔长度的不同，导致钢拉杆两端的约束程度有很大差异[5]。帆型塔钢拉杆景观造型为直径0.8 m圆柱，如按建筑造型设置圆管钢拉杆，将增加圆形钢管截面与中腹板的复杂连接节点，增加施工难度，同时拉杆受力机理不明确，传力不流畅。因此，根据索塔锚固区受力特性，该工程采用劲型骨架+外包装饰板的设计方案，钢拉杆与索塔的连接节点设计了劲型骨架，并与索塔主要传力构件中腹板平顺连接，以达到传力明确、受力均匀的设计理念。本文利用有限元模型建立了工字型、十字型、丰字型三种截面型式，如图10所示，对其应力状态进行了分析研究。

图10 三种钢拉杆截面型式

3.3.1 不同断面型式下钢拉杆应力

由总体杆系单元有限元模型计算结果可知，帆型塔水平钢拉杆除承受轴向拉力外，由于塔柱弯曲变形而存在一定弯矩作用。这就要求钢拉杆设计在弯矩平面内具有一定的抗弯刚度，抵抗上述弯矩。本文建立三种断面型式钢拉杆，其应力分布如图11所示。

由图11可知，由于截面抗弯刚度的差异，导致钢拉杆应力变化较大，但最大应力Mise应力为140 MPa，均满足规范要求。由此可知，钢拉杆主要以承受轴力为主，其次承受一定弯矩，设计采用合理的截面型式，能够满足局部抗弯承载力需求。结合该实际工程考虑，由于钢塔柱采用了带曲线变截面型式，选用丰字形钢拉杆型式，即满足构件的受力需要，也便于构件加工制造。

3.3.2 劲型骨架加劲肋伸入索塔长度

索塔钢锚箱锚固区，应力状态复杂，在此区域设置钢拉杆，应充分重视其对锚固区高应力区的影响。本文以工字型断面为例，建立有限元模型，分析对比工字型截面翼缘伸入长度从1倍变化到3倍拉杆直径，在不同伸入长度下，索塔及拉杆应力分布情况，如图12所示。

由图可知，随着钢拉杆翼缘板伸入索塔长度增加，其应力逐渐降低，索塔腹板应力更加均匀。过短的翼缘伸入长度，加劲板与腹板连接处出现应力集中，达到212 MPa；翼缘板长度过长，将导致材料浪费，占用索塔内部空间，也不利索塔内部施工。钢拉杆翼缘板采用2倍直径长度，索塔腹板应力扩散较均匀，最大应力167 MPa，为最优设计方案。

图11 三种型式钢拉杆Mise应力分布（单位：MPa）

4 结论

本文以宁波滨海五路跨路中湾江桥为背景，通过建立空间板壳有限元模型，对索塔锚固区应力状态、传力机理、应力集中现象、钢拉杆结构优化进行了研究分析，得出以下结论：

（1）通过应力结果分析，钢锚箱结构整体应力水平较低，但主要传力板件受力非常不均匀，各板件Von Mise应力均小于210 MPa，钢锚箱结构设计安全，合理可靠。

图12 索塔锚固区Mise应力分布图（单位：MPa）

（2）由于帆型钢索塔独特造型，钢塔外塔壁与中腹板传力机理存在差异，中腹板索塔锚固区应力偏于向钢拉杆区扩散，而外塔壁锚固区由于受钢拉杆影响较小，应力呈现出向钢锚箱前段、向下扩散的特点。

（3）帆型钢索塔水平拉杆以受拉为主，并承受一定的弯矩作用。通过优化节点设计，采用合理的截面形式，能够满足局部抗弯承载能力需求。

（4）钢索塔内钢拉杆翼缘板随着伸入长度增加，应力分布更加均匀，传力顺畅。长度过短易导致应力集中，高应力区显著，长度过长，不经济合理，构造冗余，影响构件加工制造。建议翼缘伸入长度采用2倍的杆件高度为最优选择方案。

[1]严国敏．现代斜拉桥[M]．成都：西南交通大学出版社，2000．

[2]王冲，周莉，孙东利，等.独塔斜拉桥钢桥塔锚固区钢锚箱应力分析[J].桥梁建设，2015,45（3）：51-56.

[3]李 丹，苏庆田，吴 冲，等.锚箱式钢桥塔锚固区力学性能研究[J].结构工程师，2014,30(1)：63-69．

[4]熊 刚，谢 斌，黄思勇，等.天津保定桥索塔锚固区钢锚箱空间分析[J].华中科技大学学报：城市科学版[J].2009,26(4):80-83.

[5]张奇志，尹夏明，郑舟军．钢锚梁索塔锚固区受力机理分析与约束方式比选[J]．桥梁建设，2012,42(6)：50-56.

U443.38

B

1009-7716（2017）03-0078-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.023

2017-02-09

孟续东（1984-），男，河北磁县人，硕士，工程师，主要从事桥梁设计。