大倾角组合梁斜拉桥索梁锚固区受力性能分析

刘聪伟

（上海林同炎李国豪土建工程咨询有限公司， 上海 200437)

0 引言

斜拉桥是一种组合体系梁桥，由主梁、桥塔和斜拉索组成。依据主梁材料的不同又可以分为混凝土斜拉桥、钢-混组合梁斜拉桥、钢斜拉桥和混合式斜拉桥等[2]。斜拉索的索力可分解成一个水平分力和一个垂直分力，水平分力通过索梁锚固结构传递给箱梁腹板和横梁最后扩散到主梁全截面，垂直分力平衡上部结构产生的重力及车辆等荷载作用[3]-[4]。

斜拉桥之所以有很大的跨越能力，是因为斜拉桥的拉索相当于给斜拉桥的主梁增设了很多的弹性支撑，这样可以减少主梁弯矩、降低截面尺寸，从而达到跨越能力的提升。与悬索桥相比较，斜拉桥无需锚碇装置，抗风性能好，通过调整索力来控制主梁内力，使主梁的受力更加合理，悬臂施工的方法施工方便，因此斜拉桥得到众多桥梁设计师的青睐。

近代斜拉桥横截面宽度和跨度都比较大，主梁的截面形式也是多种多样，因此斜拉桥的整体和局部受力都比价复杂，而一些桥梁事故更是表明，只注重桥梁的整体计算安全而忽略了局部结构的安全性是不可靠的，需要得到改进。因此在进行桥梁结构的整体分析之后，还需要对斜拉桥局部受力较大，受力比较复杂的区域进行局部分析，这样做可以使我们明确局部区域的详细受力情况，同时还可以根据受力情况优化设计，确保结构安全。

而对于斜拉桥而言，索梁锚固区的设计和计算是重点和难点，这是因为随着社会的发展，斜拉桥跨径的增大，斜拉索的索力不断增大，现在最大已经能够达到“千吨”级别，那么拉索传递来如此巨大的集中索力，将会直接影响锚固结构的变形和应力分布情况，如何将巨大的索力安全的扩散到主梁上，并有足够的耐久性能是我们必须重视的问题，如果结构不能有效的将索力扩散并传递到主梁上，就会造成局部结构的破坏，从而危机全桥安全。另外在进行斜拉桥的设计和计算时，由于索梁锚固区的形式结构多样，受力复杂性，使得采用传统的线性和平面的分析方法已经不能满足计算要求，无法精确的反应索梁锚固区的实际工作状态。

1 索梁锚固区的连接形式

随着计算机计算能力的提升和计算理论的不断完善，斜拉桥得到飞速的发展，对于斜拉桥的锚固形式也是多种多样。目前，钢箱梁或钢-混组合梁斜拉桥常用的的拉索与主梁的连接形式有：

（1）耳板式连接形式：也称为销铰连接，这种连接形式需要将两块耳板焊接在钢箱梁顶板上，然后在主梁的顶板下设置一些加紧肋板，斜拉索铰接在耳板的销孔上，这种构造结构简单，销铰通过耳板将索力传递到主梁腹板上，我国的深圳湾公路大桥采用的这种锚固形式。

（2）锚拉板式连接形式：这种连接形式主要由锚拉板、承压板、锚管和加劲板组成。首先需要在锚拉板上开槽，将承压板和锚管焊接在槽口上，锚拉板下部焊接在钢箱梁上，此外还需在锚拉板与锚管连接处和锚拉板与主梁连接处设置加劲板来增加结构刚度，索力通过锚拉板将离力传递到主梁上，我国的青州闽江大桥采用的这种锚固形式。

（3）锚管式连接形式：这种连接形式主要由锚管、加劲肋和上下盖板组成。将锚管焊接在箱梁和横隔板上面，拉索锚固在锚管的底部，拉索通过锚管将索力传递到主梁上，我国天津的海河大桥采用的这种锚固形式

（4）钢锚箱连接形式：此种连接形式应用较广，此种连接形式主要由承压板、锚垫板、传力板和一些加劲肋板等焊接成一个整体，再将焊接成的整体焊接在钢箱梁的外腹板上面，这种方法主要依靠传力板焊缝剪力来传力，索力通过外置的钢锚箱传递到主梁腹板和顶板上，一般大跨径的钢梁斜拉桥常常采用锚箱作为索梁锚固区的锚固形式，这样做可以使受力明确、构造简单，而且后期养护维修方便[4]，我国的上海杨浦大桥、温州鳌江特大桥等采用这种锚固形式。

斜拉桥的索梁锚固区的设计还要考虑多种因素，如施工工艺的可行性、防锈蚀能力、后期维修养护以及斜拉索的更换等等。

2 工程背景

某跨海斜拉桥桥主桥是跨径布置为38.9m+70m+238m+70m+38.9m=455.8m 的双塔双索面斜拉桥，桥面宽度为37m。荷载标准为城-A 级，人群荷载按照《城市桥梁设计规范》取用，考虑防洪、通航和抗震要求，主桥采用半漂浮体系，主梁在桥塔两侧横梁、辅助墩、边跨交接墩位置均设置纵向活动支座，在横向单侧设置固定支座，并在边跨部分区域设置压重。主塔横桥向采用改进的宝石型桥塔，顺桥向由顶部单根塔柱过渡为两根，采用混凝土塔。主梁为钢—混凝土组合梁，斜拉索为双索面，采用扇形索面布置。全桥立面布置图如图1 所示。

图1 主桥立面布置图（单位：mm）

该桥钢锚箱置于主梁腹板外侧，由于该桥宽度较大，达到37m 宽，造成拉索倾角很大，使得索梁锚固区的受力更加复杂，横桥向受力较大，索拉力对主梁腹板产生较大弯矩，钢锚箱加劲板顶端形成“刺穿”效应，使该处腹板向内凹陷，产生较大应力。

3 有限元模型的建立与分析

有限元理论的方法就是先在每一个单元上假定一个近似解，然后求解区域内的平衡条件，最后求出我们要的解。虽然这个解有可能是一个近似的解，但精度足够高，满足我们的工程需要，是一个有效的方法。对于本桥来讲，采用有限元方法计算索梁锚固区受力特性，分析其受力特点，对后期的优化等有着重要的意义。

为了得到索梁锚固区的受力情况，应选取索力最大的锚固区和主梁研究。根据圣维南原理，为了数据的准确性，选取锚固区纵向长度24.125m 进行模拟计算，按照构件实际尺寸大小和边界条件应用有限元软件Midas/Fea 建立三维实体模型，其模型如图2 所示。

图2 索梁锚固区有限元

计算在最大索力作用下，索梁锚固区的应力水平如图3、图4 所示，由图可以看出，锚箱锚垫板应力值较大，达到300Mpa 左右，此外承压板附近加劲板也有应力集中现象，但最突出的是锚箱与主梁腹板接触处应力值，传力板与腹板接触处端部应力达448.7Mpa，因此，为了能够清晰准确的反应锚固区应力的分布情况，通过分析，选取钢锚箱与主梁接触处的三段A～C 段进行具体分析。

图3 锚固区应力图

图4 锚箱应力结果图

由图3、图4 可以看出，A 段～C 段应力水平较高，特别是端部应力，其中A段应力最大值为223 MPa，最小应力值也达到了119MPa，B 段应力最大值为375.3 MPa，C 段应力最大值为448.7MPa，由图5 可以看出，对于传力板B 段和C 段中部应力分布比较均匀且应力值较小，但随着距离的提升应力水平呈现指数增长，特别是B 段和C 段端部的应力值已经超过材料容许值，必须尽快的找到方法来降低索梁锚固区的应力以达到安全的目的。

通过分析，通过调整钢板厚度、调整拉索倾角或加端部钢板的方法可以降低索梁锚固区应力水平，其优化后锚箱A 段～C 段应力水平变化值如图5、图6 所示。

图5 A 段应力结果对比

图6 B、C 段应力结果对比

由图5、图6 可以看出，通过上述的方法有效的降低了锚固区的应力水平，优化后A 段～C 段最大应力值分别为113.4MPa、161.5MPa、178.0MPa。与优化前相比应力值分别减少了109.6MPa、213.8MPa、270.7MPa，优化效果明显，为今后大倾角组合梁斜拉桥的优化提供借鉴。

4 结论

通过研究分析某跨海斜拉桥索梁锚固区的受力情况得到如下结论：

（1）大倾角斜拉桥钢锚箱受力时在出锚垫板之外，主梁与腹板接触处应力值较大，特别是传力板端部应力大。

（2）采用调整板厚、调整拉索倾角或加端部钢板的方法可以有效降低锚固区应力水平，保证结构的安全。