销铰式索梁锚固结构传力机理及疲劳性能研究

詹刚毅,廖 轩,肖 林,艾宗良

(1.南昌铁路勘测设计院有限责任公司, 南昌 330002； 2.西南交通大学土木工程学院,成都 610031； 3.中铁二院工程集团有限公司,成都 610031)

索梁锚固结构是悬索桥、斜拉桥及拱桥中的关键构造，负责将主梁及其承受的荷载传递到吊杆、拉索上，通常具有受力集中、结构复杂的特点，因此其安全性和耐久性也是工程界研究的热点[1-5]。

销铰连接锚固体系最早常见于悬索桥索梁锚固系统中。因其节约钢材、施工方便和易于更换等优点，已经有越来越多的桥梁采用了该种结构[6-7]。近年来国内已完成的一些销铰式索梁锚固结构疲劳性能试验，如贵州坝陵河大桥和舟山西堠门大桥等[8-14]，但对于铁路桥梁中的销铰式锚固结构，国内还少有研究。

根据耳板与主梁连接方式的不同，可将销铰式锚固结构分为以下3种形式。

(1)螺栓连接型销铰式索梁锚固结构(图1)。

图1 螺栓连接型销铰式锚固结构

这种形式的销铰式锚固结构耳板通常设置在箱梁腹板外侧，通过高强螺栓的摩擦力将索力传递到主梁腹板。在杭州湾跨海大桥、桃夭门大桥等桥中采用这种销铰式索梁锚固形式[15-16]。

(2)腹板外伸型销铰式索梁锚固结构(图2)。

耳板即为腹板的一部分，索力由耳板直接传递到腹板中去。比如法国诺曼底大桥和贵州坝陵河大桥[17-18]。

图2 腹板外伸型的销铰式锚固结构

(3)插入型销铰式索梁锚固结构。

前面两种形式的销铰式锚固结构都是由主梁腹板直接或间接的承担索力。而在本文所研究的广州跨桂丹路刚架拱连续梁组合桥以及舟山西堠门大桥的索梁锚固结构中，耳板不与腹板相连，而是整体插入到箱梁中，通过焊缝与面板、横隔板连接，锚固区内焊缝密集，构造相对较复杂。如图3所示。

为深入了解插入型销铰式索梁锚固结构的传力机理和疲劳性能，本文以广州跨桂丹路刚架拱连续梁组合桥为研究对象，采用模型试验结合有限元理论分析的方法，对其销铰式锚固结构的传力机理以及疲劳性能进行研究。

图3 广州枢纽跨桂丹路桥插入式销铰式吊杆下锚固结构(单位：mm)

1 模型试验设计

受场地和加载设备限制，疲劳试验采用1:2缩尺模型，并在保证试验合理性的条件下对锚固区进行一定简化。

1.1 试验模型构造

根据全桥空间杆系有限元模型分析结果，确定吊杆活载应力幅值最大的D1短吊杆下锚固区为试验研究对象；再根据节段有限元模型分析得到的吊点处应力扩散的范围，确定了试件模型的尺寸为2.7 m×3.05 m(缩尺后)。

为方便加载，将箱梁底板、斜腹板简化为水平底板和直腹板，并将底板上移1.2 m。试件模型包括了吊杆锚固区(耳板、耳板加劲板、支承板、吊点横隔板等)和作为试件固定区的吊点相邻箱室。在固定区使用锚杆将模型固定在地面，并在试件之下加垫板以模拟锚固区悬臂受力的特点。试验模型见图4，模型加载示意见图5。

图4 试验模型示意(单位：mm)

图5 模型加载

模型所采用材料与实际结构相同，除桥面板、横隔板采用Q345qD级钢材，其余板件均采用Q370qD(Z25)钢材制作。销轴采用Cr40高强调质钢材，屈服强度不低于785 MPa。

1.2 试验测点布置

试验部分测点如图6、图7所示，分别在耳板、桥面板、横隔板、加劲肋及支承板上两侧的应力集中位置及焊缝周围布置75个应变片及54个应变花，分别编号，并以首字母代表各个区域，第二个字母代表板件正反面。

图6 耳板测点布置

图7 加劲板测点布置

1.3 疲劳荷载确定

准确地确定索梁锚固结构的疲劳荷载是进行结构疲劳试验的重要组成部分。和结构的静力设计不同，钢桥疲劳设计所采用的荷载不应是按最不利情况采用强度设计时的标准活荷载，而应考虑采用经常作用的各种实际的车辆荷载，从而计算它们所引起的各种累积损伤[19-20]。

本桥运营车辆为16节编组CRH2列车。本桥为四线铁路桥梁，我国目前还没有特别针对多线高铁桥梁疲劳加载的规定，本文偏保守考虑四线分别作用疲劳活载情况计算吊杆荷载谱(图8)，并参考线路运营资料，取列车行车间隔为4 min，则该结构每线在100年设计期内的列车通过次数为

N=100×365×20×15次=1.095×107次

图8 D1吊杆轴力幅

在全桥有限元模型中，使用疲劳车辆荷载在各车道进行加载，获得D1吊杆轴力幅值。通过雨流法进行统计,即可得到桥梁在设计寿命200年内与D1吊杆相连的销铰锚固结构的疲劳荷载频谱值。运用Miner线性累计损伤理论，即可确定试验模型200万次循环加载对应的等效常幅疲劳设计荷载幅为110 kN，试验中采用正弦荷载进行加载，荷载加载下限为Fmin=50 kN，上限为Fmax=160 kN。

2 试验结果及分析

为了验证试验测试结果的正确可靠性，利用有限元软件ANSYS,建立如图9所示的节段有限元模型和试件有限元模型。模型采用四节点三维板壳单元Shell181。

图9 锚固区示意

根据节段有限元模型分析结果,对试件有限元模型进行等效性验证，证明对锚固区的简化是合理的，试件有限元模型的结果是准确的。

经有限元分析，耳板等效应力分布见图10，结果显示疲劳荷载下最大应力出现在销孔处，最大Von-Mises等效应力为44.84 MPa，同时耳板上两销孔中间的应力大于其他部分；锚固区主要应力集中部位在桥面板以上，在耳板加劲肋N3a与桥面板焊缝端部应力较大;吊杆轴力通过耳板及N3/N3a板传递到箱梁中，应力扩散较快，桥面板以下应力水平不高，但在横隔板V肋过焊孔处、过人孔处也存在应力集中现象，这些部位是疲劳试验重点研究区域。

图10 耳板等效应力分布

耳板上的应力首先由N3/N3a加劲板分担，并传递到桥面板上；其次再通过耳板与桥面板、横隔板的焊缝将应力传递到箱梁中；可以看到耳板在桥面板以下部分的应力水平已迅速降低到20 MPa以下；箱体内的加劲板应力水平较低，主要起支承的作用。应力由耳板传递到横隔板后，逐渐扩散到箱梁底板、腹板等各部分。

2.1 静载试验

疲劳试验前先对试件进行静载试验，静载试验荷载分为疲劳荷载、1.0设计荷载和1.5倍设计荷载3种工况。疲劳试验中每隔25万次疲劳加载，停机进行一次静载试验，以了解模型试件在试验过程中的应力变化。

静载试验采用逐级加载，以疲劳荷载的15%为增量级，加载到疲劳荷载的60%后，以疲劳荷载的10%为增量级。在各级荷载作用下，持荷5 min，进行应变和裂纹观测。

对试验结果进行处理之后，得到各测点的应力。限于篇幅，表1中只列出主要测点在疲劳荷载下的试验结果，并与有限元计算结果对比。应力最大的位置位于横隔板上过人孔圆弧处，最大等效应力为40.14 MPa；耳板加强板焊缝处，最大等效应力为23.89 MPa；N3a加劲肋与桥面板焊缝最大拉应力为12.43 MPa；横隔板上V肋过焊孔处最大等效应力为21.73 MPa；其余大部分部位应力水平不高，大多在20 MPa以内。可以看出实测值与理论值的整体分布相同，除个别测点外，大多数测点都和理论值比较接近，可以证明试验结果是正确可靠的。

表1 锚固区第一主应力情况对比

由图11可以看出，在1.5倍设计荷载下，构件各测点在加载和卸载过程中的应力变化呈线性变化，试件仍然保持弹性状态。

图11 部分测点加载卸载曲线

2.2 疲劳试验

疲劳试验采用常幅正弦波荷载，加载频率为4 Hz。

整个疲劳加载过程中未发现模型试件有异常现象，每隔25万次循环加载停机进行检查，均未发现裂纹。200万次疲劳试验后，对模型各部分进行检查，未发现裂纹。

图12 主要测点主拉应力加载卸载曲线

图12给了各板件主要测点200万次加载后的主拉应力加载-卸载曲线，可以看到应力变化几乎是对称的，说明试验模型在各级荷载作用下的可恢复性能良好。图13显示出这些测点最大拉应力随加载次数的变化很小，结构在循环荷载下没有发生应力重分布现象，可以得出在疲劳试验过程中结构基本处于弹性状态。

为了解其疲劳强度储备，继续加载至260万次，对耳板、加强板、加劲肋及焊缝处分别进行磁粉探伤和超声波探伤检测，结果表明焊缝连接依然良好，没有产生疲劳裂纹。

图13 主要测点主拉应力随加载次数变化

试验结果表明，结构在200万次疲劳荷载幅作用下整体应力水平不高，加载过程中也未发现裂纹和其他异常。可以认为此结构疲劳性能满足设计要求，且有一定的安全储备。

3 锚固区传力机理分析

从锚固区的应力分布可以发现，锚固区的应力集中现象通常发生在板件之间的连接处，即耳板式锚固结构在承受销铰传递而来的吊杆力之后，主要通过锚固区的各条焊缝将力传递到箱梁中去，故研究各条焊缝的受力情况，可以更清楚地了解耳板式锚固结构的传力机理。

为定量研究耳板结构的传力机理，采用有限元计算各条焊缝的剪应力，并沿焊缝全长对各条焊缝的剪应力进行积分，得到各条焊缝承担的剪力，进而得到各条焊缝分担吊杆力的百分比，并依此来评价各条焊缝的受力情况，结果见表2。

表2 各焊缝承担荷载比例

可以看到，吊杆力主要通过耳板与桥面板和耳板与横隔板的焊缝传递，两处焊缝分别分担30.42%和30.60%的荷载。加劲肋中N3a板处于耳板中部，受到两个销孔传递而来的吊杆力，承担19.34%的荷载，这也是引起此处应力集中的原因。N3板和N4板传递索力较小，分别为4.63%，2.59%，这两类板主要起到增强锚固区整体刚度及稳定性，减小桥面板面外变形的作用。

图14为3条主要受力焊缝剪应力分布。从图14可以看出，耳板-桥面板焊缝应力沿长度呈凸型分布，耳板中部焊缝承担了两边销孔传递而来的巨大索力，故应力较集中。除此之外在两侧与N3板连接处和板端也存在局部应力集中现象。耳板-横隔板焊缝应力呈凹型分布，焊缝上端为多块板件连接处，下端靠近系杆孔，应力较高。N3a与桥面板焊缝虽然承担索力比不高，但由于焊缝长度短，其应力集中程度高于其他焊缝。

图14 主要焊缝应力分布

从分析可以看出，传力过程中的吊杆力在锚固区的传递是流畅、均匀的，但在焊缝内部的分配是不均匀的，尤其是焊缝的端部应力集中现象较明显，是可能出现疲劳破坏的关键区域。设计中可通过对结构参数进一步的优化，改善这些部位的受力性能。

4 结论

(1)插入式销铰锚固结构应力集中位置位于销孔附近和耳板中部加劲板与桥面板连接处，设计时应针对耳板板厚、加劲板尺寸等参数进行合理的优化。

(2)吊杆力的传递路径为：沿耳板向下，首先由加劲板分担部分索力，通过加劲板和耳板-桥面板焊缝共同将索力传递到钢箱梁内，再通过耳板-横隔板焊缝传递给横隔板，最后由横隔板扩散到箱梁底板、腹板，形成箱梁各部分整体受力的体系，结构的传力是流畅的。

(3)传力过程中的吊杆力在锚固区的传递是流畅、均匀的，但在焊缝内部的分配是不均匀的，吊杆力主要通过耳板-桥面板、耳板-横隔板连接焊缝传力，二者分别承担30.42%和30.60%的荷载。其次，耳板中部加劲板承担19.3%的荷载。焊缝端部的应力较高，是结构疲劳性能的控制部位。

(4)试验证明插入式销铰索梁锚固结构具有良好的疲劳性能，且具有一定的安全储备，可以满足设计要求。