某钢锚箱式锚固结构弹塑性力学性能分析

彭 涛

(湖南联智科技股份有限公司, 湖南 长沙 410200)

钢锚箱式锚固结构以其整体性好、刚度大等优点，在大跨径斜拉桥和钢拱桥中广泛应用。目前我国已经开展多项关于钢锚箱的研究，主要研究成果包括钢锚箱的传力机理、各板件受力特性、外荷载产生附加弯矩对钢锚箱及邻近区域钢箱梁的受力影响等[1-2]。考虑到钢锚箱式锚固结构板件众多，受力较为复杂，须建立较为精细的空间有限元模型进行仿真分析。本文以某钢拱桥钢锚箱为研究对象，建立局部精细化有限元模型，分析其弹塑性力学行为，研究成果可为钢锚箱破坏机理研究提供参考。

1 工程概况

某大跨径钢拱桥桥跨布置为(50+160+50)m，横向分为2条拱肋，截面形式为单箱单室钢箱梁截面，两片拱肋之间通过设置横撑和斜撑形成整体，桥面为格构式结构，系梁为钢箱梁，横梁为工字梁(见图1)。取系梁锚固区钢锚箱为研究对象。钢锚箱分为锚垫板、加劲肋、支撑板、承压板、反力加劲肋、系梁腹板及加劲板等主要构件，其中支撑板、加劲板、承压板等主要受力板件采用Q420钢材，其余板件采用Q345钢材，板件之间通过焊接形成整体，加劲板上设置锚固螺栓。钢锚箱平面构造见图2。

图1 钢拱桥桥型布置图(单位： m)

图2 钢锚箱平面构造示意图(单位： cm)

2 有限元模拟

根据设计图纸，使用有限元软件建立钢锚箱空间有限元模型，由于结构的对称性，取半结构进行计算分析。锚垫板厚度较大，故采用Solid45三维实体单元模拟，其余部分板件较薄，使用Shell181壳单元模拟，2种不同的单元之间通过MPC184单元绑定接触[3-4]，采用六面体映射法划分网格。按照多折线模型考虑构件塑性阶段的非线性行为(见图3)。在进行有限元建模前，对钢锚箱进行了加载破坏试验，结合试验结果及规范，该钢锚箱中Q345钢材屈服应力取383 MPa，极限应力取530 MPa；Q420钢材屈服应力取435 MPa，极限应力取570 MPa。有限元模型见图4。

图3 弹塑性多折线模型

图4 有限元模型半结构示意图

3 有限元结果分析

3.1 弹性阶段钢锚箱主要板件受力特征

图5给出了设计荷载下钢锚箱支撑板沿荷载方向的正应力分布结果，计算结果表明：在设计荷载作用下，支撑板沿荷载方向压应力最大达180 MPa，表现出较为明显的面外受弯受力特点，垂直荷载方向两端应力较为集中，近锚头位置最大拉应力为70 MPa，远锚头位置最大压应力为170 MPa。

图6给出了内外侧加劲板及承压板在设计荷载下沿荷载方向和垂直荷载方向正应力分布，计算结果表明：沿荷载方向内外侧加劲板锚下区域的正应力水平普遍较高，达-160～-200 MPa，相对受拉侧出现10～20 MPa拉应力，其余位置应力分布较为均匀；垂直于荷载方向上正应力值较小，但是在锚下位置存在明显的面外弯曲现象；承压板周边由于板件较多，表现出复杂的面外受弯，正应力峰值达260 MPa。

a)沿荷载方向支撑板正应力

b) 垂直荷载方向支撑板正应力

a) 内侧加劲板沿荷载方向正应力

b)内侧加劲板垂直荷载方向正应力

c) 外侧加劲板沿荷载方向正应力

d) 外侧加劲板垂直荷载方向正应力

e)承压板沿荷载方向正应力

f)承压板垂直荷载方向正应力

3.2 极限状态钢锚箱主要板件受力特征

图7给出了钢锚箱支撑板的Von Mises应力分布及塑性应变发展结果，计算结果表明：在极限状态下，支撑板大部分区域处于屈服状态，钢锚箱腹板焊缝区域(红色部分)大部分达到了屈服应力，屈服应力分布区域超过50%以上，塑性应变也在该区域迅速扩展，钢锚箱破坏主要是因为支撑板与腹板焊缝区域屈服造成的。

a) 支撑板Von Mises应力分布(单位：MPa)

b) 支撑板塑性应变分布

图8给出了内外侧加劲板及承压板在极限状态下构件Von Mises应力分布及塑性应变发展结果，计算结果表明：内外侧加劲板锚下区域附近达到屈服状态，内侧加劲板屈服区域较外侧加劲板稍大，其余位置基本上处于弹性阶段，塑性应变也仅在锚下较小区域内发展;当钢锚箱达到极限状态时，内外侧承压板的塑性区域较小，塑性应变维持在较低水平，加劲板屈服不是导致钢锚箱破坏的主要因素；由图8e、图8f可知，承压板由于与多块板件焊接，受力较为复杂，特别是承压板与腹板焊接位置，基本处于完全屈服状态，塑性应变也发展较快，当钢锚箱破坏时，承压板与腹板焊接位置达到塑性应变极限。

a) 内侧加劲板Von Mises应力分布(单位：MPa)

b) 内侧加劲板塑性应变分布

c) 外侧加劲板Von Mises应力分布(单位： MPa)

d) 外侧加劲板塑性应变分布

e) 承压板Von Mises应力分布(单位： MPa)

f) 承压板塑性应变分布

4 结论

以某中承式钢拱桥系梁锚固区钢锚箱为研究对象，使用有限元软件建立局部空间有限元模型，开展了弹性及塑性状态下钢锚箱主要板件力学行为特征分析，得到以下结论：

1)弹性状态下，钢锚箱支撑板位置沿荷载分布方向最大正应力为-180 MPa，受力形式为面外受弯，垂直荷载方向锚下区域有小范围应力集中，最大正应力为-170 MPa。

2)弹性状态下，钢锚箱内外侧加劲板正应力分布为-160 MPa～-200 MPa，相对受拉侧出现拉应力，但是数值较小，承压板应力较为复杂，且应力水平较高，最大正应力达260 MPa。

3)极限状态下，钢锚箱支撑板大部分区域达到屈服应力，塑性应变快速发展；同时承压板与腹板焊接位置也达到屈服状态，内外侧加劲板仅锚下区域位置出现屈服，但塑性应变水平较低。