都江堰市青城大桥索梁锚固结构优化设计

刘大中

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引 言

简支系杆拱桥由于水平力的自平衡，其对地质条件要求低，且跨越能力大，在桥梁建设中得到了广泛的应用。在系杆拱桥的传力路径中，索梁锚固结构是拱桥受力中的一个关键部位，其负责将主梁上的荷载传递到吊索上，索梁锚固结构的可靠性关乎整座桥梁的正常使用。索梁锚固结构的受力具有应力分布集中、结构构造复杂等特点。

典型的索梁锚固结构有四种形式：锚箱式、锚拉板式、锚管式和销铰式。其中，销铰式通过主梁上伸出的耳板与吊索连接，吊耳位于桥面以上，其构造简单、传力清晰、施工便捷、便于检修，但是销孔处、耳板与主梁连接处应力集中现象明显[1]。

1 工程概况

都江堰市青城大桥为老路改造工程，桥梁位于都江堰市青城大道跨越金马河处，桥位受市域路网控制，为原址重建。

青城大桥计算跨径为336m，与金马河正交，桥梁全长350m，桥梁结构形式为钢拱钢梁下承式简支系杆拱桥。横桥向由两片拱肋组成，拱肋内倾角度为12°，拱肋矢高为61m，矢跨比为1/5.5，拱轴线采用悬链线方程（m＝1.167）。拱肋采用钢箱拱，陀螺形断面，拱肋宽度为3.4m，拱肋高度由拱顶的5.0m变化为拱脚的7.0m，拱肋高度按照1.5次抛物线变化（见图1、图2）。

图1 青城大桥立面布置图（单位：m）

图2 青城大桥主梁标准横断面（单位：mm）

钢梁由两边箱与中间正交异性桥面板及横梁、挑臂组成，采用全焊接结构，总长度346.9 m，道路中心线处梁高3.2m，双边箱截面尺寸为2.5～3.42m（宽）×2.93m（高）。钢梁宽度为 40～47m，横梁间距3m。钢梁单侧边箱内设4根系杆，全桥共8根系杆，系杆规格为Z n-5%A l-P E S-1670-7-211，系杆两端采用锚梁式锚固构造，系杆两端采用冷铸锚，两端张拉。

全桥共设26对竖吊索，纵桥向间距为12m。吊索为锌铝镀层平行钢丝，吊索两端采用冷铸锚，规格为Z n-5%A l-P E S-1670-7-127、151两种。吊索在拱端采用锚管式锚固构造，在梁端采用销铰式锚固构造，在拱肋内部张拉。

2 索梁锚固节点构造

销铰式锚固结构根据其与腹板的连接方式有螺栓连接式[2]、腹板外伸式、插入式等结构类型。该项目采用插入型销铰式锚固结构，销铰式锚固结构受力明确、便于施工，安装过程在桥面上进行，操作空间大。在系梁内部占用空间较少，能够为系梁内布置系杆留下足够空间。另销铰式锚固结构能够适应系梁纵向位移，销轴能在纵桥向转动，不产生次内力（见图3）。

图3 索梁锚固结构（单位：mm）

锚固结构所有钢材均采用Q345qD，耳板内倾角度约12°，耳板在横桥向的位置保持不变。上耳板厚度由14 cm渐变至4 cm，宽度60 cm，高度86 cm。下耳板厚度4 cm，宽度60 cm，高度约140 cm。在横隔板及桥面板上开槽，将耳板插入横隔板，并与横隔板及桥面板焊接。在耳板侧面布置三道侧向加劲，以提供耳板的面外刚度，并改善耳板与横隔板交叉处的应力集中现象。

3 索梁锚固节点有限元分析

根据全桥模型计算结果，运营状态荷载基本组合下，计入结构重要性系数1.1，各吊索最大索力4 100 kN。

由于主梁长度、宽度、高度均较大，需对模型进行局部精细化分析，建立节段有限元模型对销铰式锚固结构进行受力分析。根据圣维南原理，采用18 m长的钢梁节段可以保证锚固节点分析不受边界条件影响。

计算软件采用ANSYS，有限元模型如图4、图5所示，钢板采用sh ell63单元模拟，节段模型竖向支承通过吊杆模拟，并在节段模型端部约束纵桥向的刚体位移。为减少计算量，此次分析未考虑销轴与耳板的接触效应和耳板开孔的影响。

3.1 索梁锚固节点优化设计

该项目索梁锚固节点设计时，对于耳板侧向加劲板的设置有两种方案：一种是仅布置两侧加劲板；另一种是布置两侧加劲板+中间加劲板。

图4 节段几何模型

图5 节段有限元模型

为明确侧向加劲板的作用，采用三种工况的模型进行对比，分别为工况一——不设侧向加劲、工况二——仅设两侧加劲、工况三——设置两侧+中间侧向加劲。三种工况的耳板应力分布如图6所示。

图6 耳板Mises应力分布

对三种工况下耳板应力进行对比，工况一耳板大部分范围超过钢材许用应力，工况三耳板内力最小，工况二应力居中。

由表1、表2的分析结果可知，耳板侧向加劲能极大提高索力锚固节点的刚度。仅布置两侧耳板即可使锚固节点应力在规范许可范围内。加设

表1 主要板件Mises应力

表2 吊耳顶部横桥向位移

一道中间侧向加劲可以改善耳板、横隔板等板件的应力集中现象，使得节点受力更为合理。故同时布置两道侧向加劲和中间加劲为推荐构造，钢材用量略有增加，但是受力性能大为改善，体现了“好钢用在刀刃上”的设计追求。

3.2 索梁锚固节点深化分析

钢板厚度大于40mm的Q345qD许用应力为260MPa，图7、图8为索梁锚固节点主要板件分析结果，应力大于260MPa部分以灰色显示。

图7 局部有限元模型

图8 局部Mises应力

索梁锚固区总体来看，大部分板件内力均较小，较大应力点均在截面突变及集中荷载作用点。系梁内侧腹板受力较大，外侧腹板受力较小。吊杆集中力大部分通过耳板传递到系梁横隔板。一部分通过侧向中间加劲板传递到系梁横隔板，还有一部分通过两侧的侧向加劲传递到桥面板及系梁横隔板。

耳板在销轴锚固位置由于集中力作用，应力集中明显。耳板与横隔板相交处由于截面有一定变化，考虑到中间侧向加劲的有利影响，应力集中现象有所改善。耳板最下端由于耳板不连续，吊索力不再由十字形断面传递，故而也有较大应力集中。耳板除这三个部位外，受力相对较小（见图9）。

图9 耳板Mises应力

横隔板宏观传力路径偏向于将竖向力传递至横梁、内腹板侧。横隔板最大应力集中在中部与耳板下端相交处，为小范围应力集中点。通过在耳板根部设置小的延长半径，可以明显减小此应力集中，限于篇幅此处不再详述（见图10）。

图10 横隔板Mises应力

侧向加劲板的应力云图显示，横桥向外侧应力大而内侧应力小，这是由于锚固结构横桥向的弯矩引起的（见图11）。由表2可知，两侧的侧向加劲板能极大地提高锚固结构的刚度，减小其在横向的位移。从绝对值上来看，侧向加劲板普遍应力相对较小，均在材料许用应力范围内。

吊耳中间侧向加劲板能够改变耳板的整体传力路径，将耳板由一字形断面过渡为十字形断面，传力路径变得更为顺畅，能够极大地减小耳板与横隔板相交处的应力集中；同时对于系梁顶板的受力也作用明显（见图12）。

图11 耳板两侧加劲板Mises应力

图12 耳板中间加劲板Mises应力

综合以上计算分析结果可知，耳板、横隔板、加劲板除极少数区域由于应力集中外，大部分区域应力均小于钢材许用应力。通过合理的构造，能够改善局部受力，更有利于索梁锚固结构的长期工作性能。

4 结 语

本文介绍了青城大桥索梁锚固节点的构造细节，并对索梁锚固结构进行不同构造下的受力性能对比，分析出锚固结构的合理构造。通过对节点的有限元分析，获得了索梁锚固结构的受力特点：

（1）插入型销铰式锚固结构能够适应系梁纵桥向位移，且占用系梁内部空间较少。

（2）合理设置耳板两侧加劲，能够极大改善索梁锚固结构受力性能。

（3）插入式索梁锚固结构构造简单、传力清晰，但是在截面突变点应力集中现象明显。

（4）索梁锚固结构由于截面变化点较多，通过合理的构造，如设置加劲板、耳板延长板等，可以显著改善局部受力性能。