斜拉桥耳板式索梁锚固区应力分析

王少怀，向中富，谢秉敏，赵 军

(重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074)

斜拉桥因其受力性能好、跨越能力大、施工方便、造型优美等特点受到桥梁工作者的青睐［1］，是一种由承压的塔、受拉的索和承弯的梁组合起来的柔性结构体系。斜拉桥索梁锚固区是一个局部应力大、传力途径复杂的构造，它要将从斜拉索传递来的巨大索力分散到主梁上，耳板由于直接承受巨大拉力，应力集中现象明显，是斜拉桥设计的关键部位［2］。大跨径斜拉桥索梁锚固型式主要有以下几种类型:锚箱式、耳板式(销铰式)、锚管式和锚拉板式连接［3］。粉房湾斜拉桥采用的是耳板式锚固结构体系，斜拉索通过销铰连接件与耳板连接，传力途径为:斜拉索→销轴连接件→锚固耳板→边纵梁腹板→粉房湾钢桁主梁［4］，邱建英和朱劲松，等［4-5］曾分别对舟山桃夭门大桥和杭州湾跨海大桥［6］的耳板结构形式做过分析研究，与上述两座桥梁锚固区结构不同的是粉房湾大桥每个索面设置了两根斜拉索，对于这种双耳板设计构造形式的索梁锚固区研究分析较少，相关设计理论及经验相对不足。因此，很有必要对索梁锚固结构进行分析，确定耳板上应力分布规律［7］，研究耳板式锚固结构的传力路径，评价粉房湾大桥索梁锚固区承载能力，为粉房湾大桥锚固结构的设计提供参考依据。

1 重庆粉房湾斜拉桥设计概况

粉房湾长江大桥(图1)是双塔双索面斜拉桥，桥跨布置 60.5 m+156 m+464 m+156 m+60.5 m五跨连续钢桁架梁斜拉桥。

图1 粉房湾大桥立面(单位:cm)Fig.1 Elevation of Fenfanwan Bridge

大桥为公轨两用桥，考虑轨道交通运行的连续性，斜拉索应该具有不中断交通的可更换性，所以本桥每个索面设置了两根斜拉索，即主梁同一横断面有4根斜拉索。斜拉索纵向标准间距16.0 m，横向一侧间距0.8 m，两侧中心间距32.8 m。边跨背索梁段处纵向索距为12.0 m，横向间距与前面相同。斜拉索下端采用穿稍较锚固于钢桁架梁边纵梁的锚拉板上，上端采用冷铸锚锚固在上塔柱内的齿板上。连接件的材料选用40Cr高强调质钢材，屈服强度大于785 MPa。根据设计资料分析成桥索力最大的锚固区即近岸跨第一根拉索处，此处锚固区构造图如图 2，斜拉索纵向倾角是 31.745°，横向倾角是3.303°，成桥索力3 552.8 kN。

图2 锚固区构造Fig.2 Structure of the anchorage

2 ANSYS有限元模型分析

斜拉桥的拉索承受拉力，对钢桁主梁有一个弹性支撑的作用，使主梁在各斜拉索作用下同多跨弹性支撑连续梁一样，增加整个斜拉桥的结构刚度，大大降低了主梁体内弯矩。由这种理论方法可以设定主梁每跨的跨径为12 m，即相邻拉索锚点的间距。研究索梁锚固区的应力分布情况时取其附近区域做局部分析即可，根据结构力学知识取钢桁主梁负弯矩区段为研究对象，索梁锚固区纵向取值0.25×12×2=6 m［8-9］，由圣维南原理知道拉索索力对超出这段距离的主梁影响不大，横隔板横向取2.3 m的顶板宽度。

有限元模型采用双线性中的等向强化材料模式，弹性模量 E=2.1 ×105MPa，泊松比 μ =0.3，边纵梁采用Q345材料，连接件、销轴等采用40Cr材料，屈服强度大于785 MPa，考虑1%的应力强化，切线模量 E=2.1 ×103MPa。

耳板式索梁锚固区的ANSYS有限元模型使用SHELL181壳单元类型(图3)，此类型单元有4个节点，每一个结点均有6个自由度，分别是空间3个方向的平动自由度和3个方向的转动自由度。该类型单元适用于进行材料弹塑性、应力强化、大变形等非线性分析。

图3 SHELL181单元Fig.3 SHELL181 element

粉房湾大桥索梁锚固区有限元模型共有34 126个节点，34 071个单元，如图4。

图4 有限元模型Fig.4 Finite element model

边界条件:根据圣维南原理此模型两端边界的处理对耳板附近的分析结果影响很小，纵梁两端完全固结即可。

荷载分布:索力沿拉索方向均匀分布在销轴与耳板的接触面上。

分析类型:采用大变形非线性分析。

3 有限元分析结果

耳板式索梁锚固区整体Mises应力分布情况如图5，可以看出斜拉索通过耳板将巨大索力向边纵梁顶板和腹板传递过程中，耳板应力远大于顶板和腹板等其他构件，很明显耳板出现应力极值区域，发生应力集中现象，但是 Mises应力迅速扩散给边纵梁其它构件，降至较低的应力水平。

巨大索力通过销轴直接作用于耳板，必然会产生应力集中现象，Mises应力极值区域位于销孔的两侧，关于斜拉索方向对称的位置，具体分布情况如图6中A所示区域。

图5 锚固区Mises应力(单位:MPa)Fig.5 Mises stess on anchorage

图6 耳板等值线应力分布云图(单位:MPa)Fig.6 Distribution of Mises stress on ear-plate

其它构件包括边纵梁的顶板、腹板、底板和横隔板。这些构件的各项应力相对较小，应力极值均是出现在各构件连接位置处，远离这些焊缝位置的部位应力水平很低。

底板的各项应力在边界固定端处出现最大值78 MPa，这是因为有限元模型在两端位置固结产生的应力集中现象，并不符合实际构造形式，在耳板对应的底板处各项应力都很小。

图7给出了横隔板、顶板、腹板和底板的Mises应力等值线云图。

图7 横隔板、顶板和腹板的Mises应力等值线云图(单位:MPa)Fig.7 Distribution of Mises stress on diaphragm、roof and web plate

表1 各构件主要应力值对比Table 1 Comparision of results /MPa

4 结语

1)耳板式索梁锚固区的应力极值区位于锚固耳板上，最大的Mises应力值是328 MPa，粉房湾大桥耳板材料选用屈服强度大于785 MPa的40Cr高强调质钢材，因此满足结构承载力要求。

2)耳板上的Mises应力、各主桥向应力和剪切应力远大于顶板、腹板和底板上的应力，耳板上应力极值区域位于销孔的两侧，关于斜拉索方向对称的位置。

3)耳板和焊缝等局部区域的Mises应力较大，存在应力集中现象，其它位置应力较小，索力通过销轴传递至整个索梁锚固结构过程中应力扩散迅速，分布均匀。

4)在各板件相交位置处存在应力集中现象，应力较大，建议在制造锚固区构件时严格控制好焊接质量，确保粉房湾大桥锚固结构安全可靠。

5)由于直接承受拉索的巨大索力耳板销孔产生巨大的局部应力，普通钢材的屈服强度不易满足结构承载力要求，建议其它斜拉桥索梁锚固区使用耳板式连接类型时也选用强度较大的材料。有限元分析结果可以为粉房湾大桥索梁锚固区的设计提供一定的参考依据。

［1］孙测世，童建胜，周水兴.曲线斜拉桥锚固点与支座偏移受力影响［J］.重庆交通大学学报:自然科学版，2009，28(3):492-496.Sun Ceshi，Tong Jiansheng，Zhou Shuixing.Influence analysis on anchorage and bearing offsets of curved cable-stayed bridge［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2009，28(3):492-496.

［2］彭霞，王行耐.钢锚箱式索梁锚固区段有限元仿真分析［J］.公路，2009(9):28-33.Peng Xia，Wang Xingnai.Finite element analysis of cable-girder anchorage zone for cable-stayed bridge with steel anchor box［J］.Highway，2009(9):28-33.

［3］李小珍，蔡婧，强士中.大跨度钢箱梁斜拉桥索梁锚固结构型式的比较研究［J］.土木工程学报，2004，37(3):73-79.Li Xiaozhen，Cai Jing，Qiang Shizhong.Studies on models of cable-girder anchorage for long-span cable-stayed bridges with steel box girder［J］.China Civil Engineering，Journal，2004，37(3):73-79.

［4］邱建英.销轴锚固型式在桃夭门大桥上的应用［J］.公路，2005(12):15-18.Qiu Jianying.Application of pin-hinge connection on Tao Yaomen Bridge［J］.Highway，2005(12):15-18.

［5］苏善根，许宏亮.斜拉桥销铰连接锚固形式的初探［J］.中国铁道科学，2003，24(1):94-98.Su Shangen，Xu Hongliang.Cable-stayed bridge pin-hinge connection anchorage［J］.China Railway Science，2003，24(1):94-98.

［6］朱劲松，肖如诚，曹一山.杭州湾跨海大桥索梁锚固节点模型实验研究［J］.土木工程学报，2007，40(1):49-59.Zhu Jinsong，Xiao Rucheng，Cao Yishan.Model test on the cable anchorage of the main girder of the Hangzhou Bay Bridge［J］.China Civil Engineering Journal，2007，40(1):49-59.

［7］卫星，强士中.斜拉桥耳板式索梁锚固结构的空间分析［J］.中国铁道科学，2004，25(5):67-71.Wei Xing，Qiang Shizhong.3D analysis on anchorage zone between beam andcable in cable-stayed bridge［J］.China Railway Science，2004，25(5):67-71.

［8］王勇，金卫兵，徐立功，等.灌河斜拉桥锚拉板结构分析［J］.现代交通技术，2004(1):32-35.Wang Yong，Jin Weibing，Xu Ligong，et al.Analyze on Guanhe cable-stayed bridge anchor plate structure［J］.Modern Transportation Technology，2004(1):32-35.

［9］侯文琦，叶梅新.结合梁斜拉桥锚拉板结构研究［J］.钢结构，2002，17(2):23-27.Hou Wenqi，Ye Meixin.Study of tensile anchor plate structure of composite cable-stayed bridges［J］.Steel Structures，2002，17(2):23-27.