某索辅梁桥锚箱受力分析

刘丽琦

（中国电建集团城市规划设计研究院有限公司，广东广州 510000）

0 引言

随着城市化发展，单一的混凝土梁桥已经不能满足审美的需求，采用钢箱梁的斜拉桥、悬索桥、拱桥等也因为其丰富的造型出现在了城市里，虽然其跨径往往只在80~200m的区段。梁桥作为主要受力构件，承担结构的大部分荷载，剩下的荷载可以由拉索承担，所以对于中小跨径的桥梁，索辅梁桥是一个很好的综合了受力、经济与景观的选择。伴随着拉索体系出现的常态化，拉索和主梁的锚固也从大桥运用到了中小桥梁上。本文的桥梁采用索辅式悬索梁桥体系，主缆通过锚箱锚固于端横梁上，锚箱与主梁之间的受力比较复杂，为了分析锚箱的传力途径与受力，保证锚箱与结构的安全，往往需要对锚箱局部采取有限元分析。本文中的锚箱锚固于顶板之上，而且板件处于单边焊接状态，主受力方向的长度与板厚之比最小的可达9:1，因此笔者对锚箱建立了实体单元模型，以期更好地对锚箱的应力分布做出分析。

1 拉索锚固的主要形式

拉索的锚固系统保证了缆索和主梁之间的力的传递，常见的锚固方式详见图1，从左到右依次为锚箱式连接、锚管式连接、耳板式连接和拉板式连接。锚箱连接主要是指人为通过钢板焊接一个锚固块，将锚固块焊接于主梁腹板之上，钢锚箱的传力途径主要是拉索的索力通过垫板作用于底板上，传递给锚固板，通过锚固板、加劲肋、底板的共同作用传递给主梁。采用锚管连接主要是在主梁结构上安装一根钢管，拉索力直接作用于主梁上，无偏心弯矩会产生。耳板式连接则是将耳板或焊接或栓接在主梁上，拉索通过连接器与耳板相连，耳板式连接可传递的索力较小，适用于索力不大的结构中。锚拉板连接是将刚把作为锚拉板直接焊在主梁上方，并且将锚管焊接与锚拉板槽口内[1]。

图1 拉索典型锚固形式[1]

2 工程概况

文中项目位于中山，采用墩梁固结的单索面索辅梁体系；主塔采用Q345q钢箱结构，宽2.0m，高1.4~2.6m；加劲梁采用Q345q钢箱结构，总体为（38+24+38）m连续刚构，宽32.2m，高2.0m；主缆采用PES7-139热挤聚乙烯高强钢丝拉索（1670MPa）；吊杆采用PES7-109型吊杆（1670MPa），吊杆间距4m，全桥设置12根吊杆。主缆通过钢锚箱锚于梁端，圆形墩塔底部与承台固结，承台下设置钻孔灌注桩基础。该桥总体布置参见图2，断面形式参见图3。

图2 总体布置

图3 标准横断面

3 技术指标

该桥采用城-A级汽车荷载，综合考虑人群荷载、温度效应、地震与沉降等工况后，主缆基本组合状态下拉力设计值为1935kN。

根据设计，主缆采用锚箱形式锚固于桥面板上，大样图参见图4。锚箱锚固板厚度为40mm，顶板厚度为24mm，承压板厚度为40mm，锚垫板厚度为40mm，加劲板厚度为24mm，锚箱和主梁之间的夹角为8°。

图4 锚箱大样

4 结构计算

4.1 总体模型

锚箱局部受力复杂，用MidasFEA做了实体单元的局部分析，模型参见图5。锚箱底板单元尺寸采用了10~20mm，承压板和加劲肋单元尺寸为20~50mm，单元厚度统一采用10mm，模型底部和端横梁固结，所以局部模型底部采取固结支座，从整体模型提取最大拉索力1935kN，设计值为基本组合的包络值。考虑1.1的结构安全系数，板的设计强度为270/1.1=245MPa（16mm以上板厚）。

图5 有限元模型

4.2 锚固界面反力验算

根据反力分析可知，反力图示见图6，从左到右依次为顺桥向反力，横桥向反力，竖向反力，计算可得横向支座反力为3.2kN/20mm=160kN/m，6.7kN/20mm=335kN/m，竖向拉力反力为11kN/20mm=550kN/m。锚箱与钢梁之间采用全融透焊，焊缝设计值均小于承载力，焊缝安全可靠。

图6 锚箱反力

4.3 应力分布

应力分析结果详见图7~图10，为了仔细分析应力的分布，结果分别展示了<100MPa，100MPa～200MPa，200MPa～250MPa，245MPa～486MPa的应力分布，从Von-Mises应力分析云图可以看出以下几点。

图7 整体应力分布

图10 <100MPa板块应力分布

图8 245~486MPa板块

图9 100～250MPa板块应力分布

（1）整体有效应力有12%大于270MPa，最大应力为486MPa，均出现在锚头施加压力处，同时也是底板开洞的外表面处，所以此处发生了应力集中，应力处于245~486MPa区段，从应力分布看，底板应该发生较大弯曲变形，建议此处优化剪力板位置，尽可能在孔洞边缘布设。同时可适当加大锚垫板的外尺寸和锚垫板厚度，更好的保证索力的分散。

（2）除承压板以外的构件应力均处于250MPa以内，其中，锚箱锚固板和底板内边缘50mm范围以内的有效应力处于200~250MPa区间，关键焊缝连接处也处于应力集中现象发生区段。100mm范围内处于100~200MPa区间。

(3）锚箱剩余部件应力均小于100MPa，整体结构安全可靠。

5 结论

（1）锚箱底板与锚固板和加劲肋之间的焊缝处于应力集中区，采用熔透焊缝连接的时候应注意焊缝质量，保证力的有效传递。

（2）锚箱底板受力复杂，根据结果显示，底板存在一定的弯曲变形，沿板厚方向各层存在互相挤压现象。承压板应尽量贴近锚管孔布置，且在底板之下应设置垫板，保证拉索力在底板上分散传播。并应于顶板下方锚固板对应位置设置加劲板以共同承担偏心引起的弯矩。

（3）锚固板和加劲板的应力在靠近底板的区域大，远离底板的方向逐渐减小，设计时要注意板的有效长度保证力的传递。

（4）锚箱体系传力明确，安全可靠，本文虽为分析主梁的应力，但从反力结果可看出锚箱作用于主梁的力并不十分显著，所以对于索辅梁桥中相对较小的拉索体系，该锚固形式可以安全应用在工程设计中。