外挂式空间拉索锚箱受力性能分析与优化

丁 亮

安徽省交通控股集团有限公司 安徽 合肥 230088

斜拉桥斜拉索与主梁的锚固结构是保证主梁承受的荷载能通过拉索传递给桥塔的关键构造之一[1]。斜拉索与钢主梁的常用锚固形式有锚箱式、锚拉板式、耳板式等。索梁钢锚箱式锚固区需承受斜拉索的巨大集中力。此外，由于锚箱位于主梁腹板侧面，二者间通过焊缝连接，集中力偏心造成的面外弯矩也会对锚固区主梁腹板受力造成一定影响。因此，斜拉桥索梁锚固区钢锚箱受力及构造复杂，一般需通过专项研究确定其受力性能，开展构造优化。

大跨径钢箱梁或钢箱组合梁斜拉桥的钢锚箱局部受力已有较多相关研究，相关研究方法大体有数值分析和试验研究2种方式。吕文舒等[2]通过Ansys局部有限元模型对某钢箱梁斜拉桥钢锚箱的受力性能开展了分析计算，并对锚箱局部构件进行了尺寸优化以改善应力集中现象。袁瑞等[3]以金沙江特大桥为背景，采用Midas FEA软件研究了钢箱梁锚箱主要受力板件及连接处主梁腹板的应力状况，以确定合理的板件厚度，并探讨了设置补强钢板对锚固局部应力分布的改善作用。叶建龙等[4]也采用Ansys软件分析了鳌江特大桥钢箱梁锚箱锚固区的受力特性，研究了调整板件厚度及调整索面倾角2种优化措施的效果。段政等[5]对某独塔单索面斜拉桥的钢锚箱开展了仿真分析，明确了其应力分布规律及传力方式。刘振标等[6]针对铁路混合箱梁斜拉桥的荷载特点，提出了一种新型双挑式索梁钢锚箱，通过数值分析研究了这种新型钢锚箱形式的受力特性，并通过足尺模型试验验证了其疲劳性能。李昶等[7]结合有限元计算，通过模型疲劳试验，研究了低温运营环境下黑龙江公路大桥索梁锚固区的应力分布及疲劳性能。

上述研究均基于实际工程，通过数值分析研究了钢箱梁斜拉桥索梁锚固区采用钢锚箱时的受力情况，但对于中小跨径斜拉桥而言，从经济性角度出发，其主梁常采用钢板组合梁，尤其对于运输条件受限的地区，例如山区环境下，钢板组合梁更便于运输和安装[8-9]。而目前钢板组合梁斜拉桥的索梁钢锚箱研究较少，有必要对其钢锚箱局部受力性能及优化措施开展进一步研究。

1 背景工程概况

芜黄高速上的徽水河大桥跨越G205国道和徽水河，跨径布置为（48＋80＋40） m，采用钢板组合梁低塔斜拉桥，塔墩梁固结体系，如图1所示。单幅桥标准横断面布置为0.5 m（防撞护栏）＋11.25 m（行车道）＋0.5 m（防撞护栏）＝12.25 m。

图1 徽水河大桥总体布置图（单位：cm）

徽水河大桥主梁采用Q345qD双工字形直腹板断面，横向间距11.75 m，标准高度为1.5 m，在塔墩梁固结处加高到2.0 m。预制混凝土桥面板全宽12.25 m，采用0.25 m的等厚板，支承在由钢主梁及横梁组成的梁格体系上，与钢梁采用剪力钉连接。

桥塔采用H形外倾桥塔，斜拉索横向单排布置，梁上索距7.8 m，塔上索距1.0 m。斜拉索为空间三维布置，与3个坐标平面均成一定夹角，受其影响，锚固结构的构造与受力均较为复杂。

徽水河大桥部分斜拉索斜交角度较小，若拉索与主梁采用锚拉板进行锚固，则锚拉板尺寸较长，在增加用钢量的同时也影响外观。因此，综合考虑，索梁之间采用外挂式钢锚箱锚固。

2 钢锚箱局部有限元分析模型

2.1 钢锚箱构造设计及受力特点分析

钢板组合梁斜拉桥的索梁锚固区直接承受来自拉索的巨大索力，钢锚箱板件较多，构造复杂，锚固区域焊缝密集且沿空间各个方向分布。钢锚箱制作与安装均需要考虑到与各个平面所成角度，且不同的拉索位置处角度不同，从而制造尺寸及定位参数均不一致，对制造精度要求较高。结合锚箱构造可分析索力从锚箱到主梁的传力途径。斜拉索索力通过锚头作用在锚垫板N3上，锚垫板下有承压板N6，进而传递给抗剪板（锚箱顶板N1及底板N2），大部分索力通过锚垫板及抗剪板与主梁腹板之间的焊缝，传递给主梁。在承压板与抗剪板间有加劲板N5，2块抗剪板间有支承板N4，锚管N8穿过锚箱，通过盖板N7上的圆孔穿出。盖板N7固定锚管，兼起封闭和防水的作用。

从上述分析可知，钢锚箱顶板、底板及锚下承压板与主梁连接处的焊缝是主要传力焊缝，起到将索力安全平顺地传递给主梁的作用。因此，有限元分析中应重点关注这3条焊缝对应位置处，钢锚箱板件及主梁腹板的受力状况。

2.2 有限元模型建立

选取受力最大的边跨5号斜拉索钢锚箱，采用大型通用有限元计算软件Ansys建立其局部分析模型。模型总长为4.9 m，纵向范围从边跨5号拉索定位点向塔侧3.9 m到拉索定位点远离塔侧1 m，横向建立了1/2的计算模型，并在对称面上施加对称边界。其中，混凝土桥面板采用SOLID95单元，钢主梁、钢横梁及钢锚箱采用SHELL63单元。钢梁和混凝土桥面板之间采用共节点连接。模型边界按最不利受力情形考虑，模型近塔侧的端面按固结约束，模型远塔侧的端面不施加约束（图2）。

图2 有限元模型示意

由于主要研究钢锚箱及其与主梁连接处的受力情况，因此计算荷载仅考虑索力的作用。根据采用Midas Civil程序建立的整体杆系计算模型，提取基本组合下边跨5号拉索的索力，为2 984.6 kN。将该索力按照实际接触面积转化为锚头压力，以面荷载的形式作用在锚垫板上。

3 钢锚箱受力分析结果

3.1 钢锚箱变形结果及分析

由于斜拉索为空间拉索，索力在横桥向有指向主梁外侧的分量，使锚箱远塔侧（锚垫板端）向主梁外侧产生横桥向位移，锚箱近塔侧产生向主梁内侧的横桥向位移，见图3，锚箱底板与主梁腹板连接处会发生向内鼓出的位移，最大横向位移为2.4 mm。

图3 锚固区横向变形云图（单位：mm）

3.2 钢锚箱应力结果及分析

最大索力作用下，钢锚箱锚固区等效应力见图4，钢锚箱N2板（锚箱底板）、N1板（锚箱顶板）与腹板连接处应力较大，超过了材料设计强度（270 MPa），N3板（锚垫板）与腹板连接处也有局部应力集中。而锚箱本身的应力水平较低，基本在120 MPa以下。主梁腹板除连接位置局部受锚箱影响外，大部分区域总体应力较小。

图4 锚固区等效应力云图（单位：MPa）

考虑到钢锚箱锚固区受力复杂，除关注其总体应力分布情况外，还应对各主要受力板件的受力状况进行进一步分析。忽略板件连接处角点的局部应力集中，对各主要受力板件的受力状况进行进一步分析，见表1。

表1 各主要受力板件应力结果

从表1可看出，钢锚箱主要受力板件包括锚垫板、抗剪板等，等效应力峰值均在材料设计强度内，安全储备良好。但主梁腹板与锚箱连接处局部应力超限，即使忽略板件连接的局部点位，腹板仍有小部分区域应力大大超出材料设计强度。鉴于板壳有限元对于板件间连接的模拟难以体现真实状况，因此应力集中处的应力峰值仅作为参考，不能代表实际情况下的应力。但其反映的应力分布规律和传力趋势应当是准确的。因此，需对连接处构造开展优化，以使锚箱向腹板传力更为平顺，应力过渡更为合理。

4 钢锚箱构造优化与对比分析

4.1 构造优化措施

根据上述计算分析结果，钢锚箱自身受力较小，但索力从锚箱向主梁腹板传递时，主要传力焊缝对应位置处主梁腹板应力较大，角部位置由于横向变形较大，局部应力集中明显。基于上述受力特点，钢锚箱构造优化可以从增加腹板抵抗横向变形的刚度、减弱锚箱连接板向腹板传递的横向变形2个角度出发，采取增设竖向加劲肋、对锚箱底板进行裁切倒角、增加锚固区腹板厚度等构造优化措施，对索梁锚固区受力进行改善。

1）锚箱自身应力较小，而锚箱顶板、底板及锚垫板与腹板连接处，由于索力的水平分量，均存在不同程度的腹板鼓出现象，从而产生了应力集中。因此，可以在N1板（锚箱顶板）、N2板（锚箱底板）、N3板（锚垫板）与主梁腹板连接处各增设1道竖向加劲肋。加劲肋尺寸与主梁竖向加劲肋保持一致，即取宽度200 mm，厚度18 mm。

2）考虑到钢锚箱底板N2与腹板连接处横向位移最大，此处横向鼓出效应最为明显，应力集中现象也最为突出，同时N2板长度较长，其上端外侧区域应力较小，因此，可采用对N2板进行裁切倒角的方式，减小其刚度，以减小此处横向位移，进一步控制应力集中。

3）由于应力超限区域主要为腹板与锚箱连接处，因此可以将锚固区局部腹板厚度从16 mm增加到20 mm，以削减应力峰值。

4.2 优化措施对比分析

为比较上述3种构造优化措施的效果，以锚固区应力集中处的应力峰值及横向鼓出效应的最大横桥向位移为基准，通过与原方案的对比，分析3种构造优化措施对锚固区横向变形及应力峰值的减小作用，如表2所示。表中，方案一为增设竖向加劲肋，方案二为对锚箱底板N2裁切倒角，方案三为增加锚固区腹板厚度。

表2 不同构造优化措施效果对比

从表2中可以看出，3种构造优化措施中，以在腹板与锚箱连接处增设竖向加劲肋的效果最为显著，其次是增加锚固区腹板厚度，对锚箱底板裁切倒角也有一定改善效果。这是因为在连接处设置的加劲肋可以有效增强腹板面外刚度，提高腹板抵抗索力导致的横向变形的能力。

4.3 优化后锚固区受力计算结果

综合采取上述3种构造优化措施后，主梁腹板的横向鼓出效应仍以锚箱底板与腹板连接处最为显著，但锚固区面外横向位移明显降低，最大横向变形由2.4 mm降低到了0.65 mm，降幅72.8%。

优化后锚固区等效应力见图5，钢锚箱自身应力变化不大，但锚箱与腹板连接处的应力有了较大改善，应力集中的范围和数值均明显减小，软件计算得到的应力峰值由1 440 MPa降低到380 MPa，降幅73.6%。只有板件连接的局部角隅点位仍存在应力集中，考虑有限元模型对连接处模拟的局限，该角点部位应力集中可以忽略。锚固区总体应力水平在210 MPa以下，处于安全范围以内。

图5 优化后锚固区等效应力云图（单位：MPa）

5 结语

1）使用阶段最大索力作用下，锚箱本身应力水平较低，基本在120 MPa以下；锚箱与腹板连接处应力较大，超过了材料设计强度。

2）由于拉索为空间三维布置，索力的水平分量对锚箱有横桥向向外拉扯的作用，使得锚箱顶板、底板、锚垫板与腹板连接的角点处产生腹板局部鼓出现象，从而在这些部位导致了局部应力集中。

3）可以采取增设竖向加劲肋、对锚箱底板N2进行裁切倒角、增加锚固区腹板厚度等措施，对锚固区构造进行优化。其中，在腹板与锚箱连接处增设竖向加劲肋的方式对改善锚固区应力集中的效果最为明显。

4）综合采取上述优化措施后，钢锚箱与腹板连接处的应力集中现象得到了有效控制，应力峰值与应力集中范围均明显减小。优化后仅局部角点存在应力集中，锚固区整体受力在安全范围以内。