空间索面自锚式悬索桥钢锚箱构造和受力分析

吴 峰，封 伟

(西安市政设计研究院有限公司，陕西 西安 710068)

0 前 言

自锚式悬索桥不需要庞大的锚锭，而是把主缆锚固在加劲梁的两端，由加劲梁承担主缆的水平分力。该水平分力通过主缆锚固区逐渐传递给整个加劲梁，因此，主缆锚固区是自锚式悬索桥传力关键区域，其构造合理，传力明确、顺畅是设计基本要求。主缆锚固区常见的锚固方式有混凝土结构锚固和钢结构锚固两种。混凝土锚固方式体积大，需要在梁内现浇混凝土，但在承受水平力的同时可以凭混凝土自重平衡主缆产生的竖向分力；钢结构锚固方式可以在工厂预制，现场安装，但需要在钢箱梁内配置压重以平衡主缆的竖向分力。目前大跨度自锚式悬索桥加劲梁多采用扁平钢箱梁，在此情况下，若使用混凝土锚固，则需要在钢箱梁和混凝土结构间设置复杂的钢混结合段。若使用钢结构锚箱，直接通过钢锚箱将水平分力传递给钢箱梁，无需结合段，但钢锚箱构造复杂，应力集中问题严重，需要探索的问题较多。本文以西安市建材北路跨灞河空间索面自锚式悬索桥为实例，介绍钢结构锚箱的构造形式和受力分析。

1 总体设计概况

建材北路跨灞河桥，结合桥址区地形、交通及地质情况，选用了自锚式悬索体系。主桥为双塔三跨，跨径布置为50+116+300+116+50(m)(见图1)，桥面总宽56 m。两根主缆呈空间线形，布置在主梁两侧，主梁锚固点处主缆横向间距为47.9 m，桥塔处理论交点横桥向的中心间距为0.5 m，跨中横向间距为41.316 m。

本桥加劲梁采用整体式钢箱梁结构，中心梁高4.0 m，正常梁段悬臂部分底部斜向上直线与风嘴相接，主缆锚固区段主梁为矩形断面(见图2)。

图1 建材北路跨灞河桥桥型布置图(单位：cm)

图2 钢梁主缆锚固区横断面图(单位：cm)

2 钢锚箱构造

本桥锚箱采用格构式结构，由锚面承压板、横向锚固板和竖板组成。其中锚面承压板厚100 mm，其上留有主缆锚具孔洞，孔洞直径203 mm；横向锚固板厚50 mm，与主梁腹板焊接；竖板厚50 mm，焊接在横向锚固板上组成格构式结构(见图3～5)。整个格构式锚箱传力明确清晰，主缆索力由锚面承压板传递给顶、底、腹板和横向锚固板，横向锚固板将力传递给腹板，进而由腹板传递至全桥断面。

图3 钢锚箱立面图

图4 钢锚箱平面图

图5 钢锚箱A-A横截面

3 钢锚箱受力分析

对于建材北路灞河桥的钢锚箱，以厚钢板连接成为复杂的空间格构形式，需对其以及周边相连板件组成的锚固区进行有限元建模，计算整个锚固区的空间受力情况并验证传力路径的准确性。

1)计算模型、边界条件及荷载。计算模型：截取锚固区所在矩形梁段及两端与其相接的一段标准梁段(见图6～7)，利用MIDAS有限软件进行板单元建模分析。

边界条件：主缆锚固后方的梁端，约束Z方向和Y方向，另一端梁端固结，其中板单元与固结点间采用刚性连接。

加载：考虑模型的自重；主缆端部拉力采用梁结构在MIDAS总体计算模型中的内力结果，并将主缆端部拉力换算为法向压力均匀加载至锚面承压板上的91个环形承压面上(见图8)。

图6 主缆锚固区梁段模型图

图8 锚面承压板模型图

2)计算结果。经过计算，从图9应力云图可以看出，大部分板件的应力在100 MPa以下，说明主缆锚固区构造较为合理。应力分布由钢锚箱逐渐传递至整个梁截面，顶板开孔靠近散索套侧的角点及风嘴和横隔板的交点处有应力集中，会出现较大应力，Von-Mises应力值为144 MPa。从图10～11可以看出，顶板在锚面承压板处应力相对较大，向着散索点方向逐渐变小，而底板应力通过竖板传递从承压板处向着散索点逐渐变大，反映出了仰面倾斜钢锚箱在顶、底板上的传力特点。钢锚箱最大应力出现在腹板与最底层横向锚固板端部交点处，Von-Mises应力值为124 MPa，而锚面承压板除了主缆锚固点应力较大外，其余应力均较小，说明大部分主缆的力通过锚面承压板传递给横向锚固板，横向锚固板传力给腹板，并在端部应力累加到最大值。

图9 锚固区梁段应力云图

图10 钢锚箱应力云图

4 结 语

本文通过对西安市建材北路跨灞河桥的钢锚箱进行板壳单元的建模分析，得出了钢锚箱各部位应力，印证了格构式钢锚箱的传力途径。同时通过有限元仿真计算，可以较为真实的把握结构的受力状况，了解各应力集中的板件部位，这对设计及制造、施工具有很重要的指导意义。

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