钢管混凝土独塔斜拉桥塔柱钢锚梁设计与优化

刘道伟

摘 要：结合一座钢管混凝土独塔斜拉桥为背景，针对其特有钢管混凝土塔柱结构特点，利用大型通用有限元软件ANSYS对钢管塔柱锚固区段进行建模分析计算。结合桥梁整体受力特征，分析最不利组合下锚固段应力分布规律。针对索塔钢锚梁应力分布规律，优化锚固的结构形式及构件尺寸，得出优化后的钢锚梁结构受力合理满足规范要求。

關键词：独塔斜拉桥；钢管混凝土塔柱；钢锚箱

中图分类号：U448.27 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）07-0090-03

1 桥梁概况

某市政桥为斜拉桥主桥采用独塔双索面预应力混凝土斜拉桥，跨径组成为（100+100）m。桥面以上塔高62.0m，塔柱纵向中距5.5m。斜拉索在主梁上标准索距6.0m，主塔上间距2.5m。主桥结构见斜拉桥边墩墩顶设置纵向活动支座，主塔与主梁相交处采取墩、塔、梁固结形式。如图1所示。

主梁采用等高度倒梯形展翅箱梁，单箱五室斜腹板截面。箱梁顶宽29m，底板宽13m，悬臂长2.5m，箱梁对称中心线处梁高2.85m。标准段箱梁顶板厚0.2m，底板厚0.25m，外腹板厚0.35m，中腹板为直腹板，厚0.45m。斜拉索锚固处均设一道横梁，边室横梁厚0.30m，中室横梁厚0.4m。

索塔为钢管混凝土结构。下塔柱两个Φ2800×30mm钢管内灌C60微膨胀混凝土组成；在塔柱与斜拉索的锚固点处设置钢锚梁。如图2所示。

2 结构模型

本次计算使用大型通用有限元计算程序ANSYS。为更加真实的模拟局部子模型受力和边界条件和尽可能减少计算量，先通过全桥杆系模型计算各种工况下整体受力，获得最不利工况，然后将锚梁局部区域建立板壳和实体模型嵌入到整体模型之中，采用整体和局部子结构相结合方法，验算最不利工况下局部的受力状况。如图3所示。

整体模型采用三维杆单元，桥墩底部采用固结的约束方式，在塔梁结合处与梁固结，再与桥墩上的节点耦合。斜拉索采用了三维桁架单元，弹性模量考虑了垂度效应的Ernst修正。钢锚梁采用壳单元。

在整体模型的计算中，一共考虑了9种荷载工况，根据整体分析得到的各荷载工况下的斜拉索索力如图4。在“恒载+活载+索塔升温”工况3下，2号拉索的索力最大，锚梁局部模型采用该工况下的2号拉索索力。

3 钢锚梁局部应力计算结果

在选择的不利荷载工况对应的最大索力对索塔钢锚箱进行局部实体分析，分析结果得到钢锚梁应力分布规律如图5所示：

在斜拉索锚头直接作用处钢锚梁腹板局部应力集中，最大Mises应力约250MPa；在底板与塔壁连接处局部应力集中，最大Mises应力约100MPa，底板应力较小；在钢锚梁上顶板斜拉索锚头直接作用处局部应力集中，最大Mises应力约180MPa，下顶板局部应力最大Mises应力约290MPa；钢锚梁上层斜支撑板局部应力最大Mises应力约220MPa；钢锚梁竖向加劲板局部应力最大Mises应力约100MPa，加劲板应力较小；钢锚梁下层斜支撑板局部应力最大Mises应力约335MPa，下层斜支撑板局部应力较大，钢锚梁下层斜支撑板表面与中面的应力比较，中面最大Mises应力约80MPa，可见支撑板的面外弯曲应力较大。如图6所示。

由此可知，钢锚梁的最大局部应力未超过屈服强度，结构处于弹性工作状态。其中，下层斜支撑板由于面外弯曲引起的局部应力较大，底板与塔壁连接的角点处局部应力集中，结构还可以进一步优化。

4 钢锚梁结构优化

针对下层斜支撑板由于面外弯曲引起的局部应力较大和底板与塔壁连接的角点处局部应力集中问题，对原设计做以下修改：

（1）在原设计的底板处添加圆弧倒角，以改善局部的应力集中。（2）将竖向的加劲板改为平行于斜拉索的方向，避免了加劲板对下层斜板的不利影响，同时可以对腹板起到加劲作用。

见图7，优化后的钢锚梁进行局部分析计算，计算结果表明在底板添加了圆弧倒角之后，应力集中没有发生在角点处，对焊缝的疲劳有一定的改善作用。将竖向的加劲板改为平行于斜拉索的方向，有效的改善了下层斜支撑板受力状况。

见图8，钢锚梁下层斜支撑板局部应力计算结果最大Mises应力约260MPa。修改方案的应力集中有了明显的改善，最大Mises应力从335MPa降到260MPa。

5 结语

（1）钢锚梁组成构件繁杂且受力状况复杂，通过有限元软件对钢锚梁进行受力分析，得出钢锚梁的应力分布规律，根据应力分布规律优化后的钢锚梁结构设计是合理的。（2）通过对钢锚梁斜支撑板及其腹板加劲板的受力分析，然后对加劲板位置及方向进行比较可以得出加劲板的布置尽量平行于斜支撑板，避免其交错给斜支撑板受力带来不利影响。（3）钢锚梁底板与钢管塔壁连接处受力复杂，容易出现应力局部集中，可采用增大钢锚梁底板厚度或宽度的方式处理。

参考文献

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