小干大桥组合索塔锚固区受力特点研究

高恩全，沈旭东

（浙江省交通规划设计研究院，浙江 杭州 310006）

小干大桥组合索塔锚固区受力特点研究

高恩全，沈旭东

（浙江省交通规划设计研究院，浙江 杭州 310006）

小干大桥位于329国道舟山普陀勾山至小干岛段，主桥桥跨为130 m+300 m+130 m,混凝土斜拉桥，索塔区采用钢锚梁-钢牛腿组合结构，锚固区结构型式复杂。采用空间有限元理论对其受力特点进行分析，为同类锚固结构提供一定参考依据。

斜拉桥；索塔锚固区；钢锚梁-钢牛腿；受力特点；计算模型

1 概述

1986年建成的加拿大安娜西斯桥（Annacis Bridge）首次使用了混凝土牛腿-钢锚梁式组合索塔锚固结构[1]。这种结构是将钢锚梁支撑在空心塔柱横壁内侧设置的混凝土牛腿上，斜拉索穿过预埋在塔壁内的索导管锚固在钢锚梁两端的锚块上，与前述两种锚固结构相比，钢锚梁需要占用塔柱内一定的空间，因此一般要求塔柱截面尺寸不宜太小[2]。钢锚梁式索塔锚结构如图1所示。

图1 钢锚梁式组合索塔锚固结构

后期的设计过程中，对钢锚梁式索塔锚固结构做了两个重大改进：一是将锚固结构焊在钢锚梁的两侧，以适应空间索面；二是将混凝土牛腿改为钢牛腿，通过牛腿壁板在竖向连成整体，钢牛腿与混凝土塔壁间采用剪力钉群进行连接。钢锚梁-钢牛腿组合锚固结构立面及平面布置如图2、图3所示。

图2 钢锚梁-钢牛腿组合锚固结构立面布置

图3 钢锚梁-钢牛腿组合锚固结构平面布置

2 受力特性

钢锚梁结构，集成了锚固结构的所有部件(包括钢锚梁、钢牛腿和索导管等)，可在工厂进行整体拼装和匹配，吊装重量比钢锚箱轻，钢锚梁支撑在钢牛腿盖板的聚四氟乙烯滑板上，斜拉索的水平分力中两侧相等部分由钢锚梁承担，水平不平衡力通过钢锚梁与钢牛腿间的摩阻力或顺桥向两端的限位挡块传递给钢牛腿壁板，再由壁板传递给索力水平分力较大一侧的混凝土塔壁，斜拉索竖向分力由壁板剪力连接件传递给混凝土塔壁，这样即可使塔壁承受的水平力大大减少，在正常使用条件下混凝土塔壁拉应力小，可不设环向预应力索，施工比混凝土牛腿方便快捷。因上述优点，钢牛腿-钢锚梁组合索塔锚固结构在我国迅速得到推广。荆岳长江大桥、厦漳大桥南、北叉斜拉桥、鸭绿江大桥、九江长江公路大桥等大跨度斜拉桥都相继采用了钢牛腿-钢锚梁组合索塔锚固结构[3]。

钢锚梁式索塔锚固结构在国内外斜拉桥上的应用情况见表1。

表1 钢锚梁式索塔锚固体系应用情况

3 项目概况

小干大桥位于329国道舟山普陀勾山至小干岛段，主桥采用双塔双索面PC梁斜拉桥，三跨布置，边、中跨之比为0.433，主桥长560 m，斜拉索采用扇形空间索面（见图4）。索塔承台以上全高113.5 m，每塔每索面共18对斜拉索。除1号斜拉索锚固于混凝土塔柱以外，其余均采用钢锚梁与钢牛腿组合结构进行锚固。钢锚梁主要由锚固箱板件及纵向板件构成（见图5）。

图4 小干大桥总体布置图（单位：m）

图5 钢锚梁一般构造图

4 锚固区受力分析

4.1 计算模型

混凝土弹性模量为3.45×1010N/m2，模型中钢材（Q345C）按弹塑性材料考虑，弹性模量E取2.1× 1011N/m2，材料达到屈服强度345 MPa，对应的应变值为0.001 643；材料达到极限强度480 MPa，对应的应变值为0.21。其应力应变曲线如图6所示。

图6 Q345C钢材的应力-应变曲线

钢锚梁选取塔柱水平力最大节段GML17。计算时采用标准组合下最不利荷载。钢锚梁结构形式复杂，除主要板件直接受力以外，加劲板有效地减小了板件连接处的应力集中。为了更进一步反应结构受力，模型采用10节点高阶四面体单元。钢牛腿与钢锚梁之间采用一端固定、一端滑动，滑动端、钢锚梁与钢牛腿之间采用接触连接。钢牛腿与混凝土塔柱之间受力复杂，无论是采用梁单元或是弹簧单元进行模拟，对端部壁板承担竖向力比例及剪力钉受力产生较大影响，其他方面影响有限[3]。因此在钢牛腿与混凝土塔柱之间采用平衡方程进行固定约束。外侧混凝土按实际混凝土尺寸，采用8节点正六面体单元进行划分。模型共采用单元152 946个，节点285 686个。图7为有限元模型。

图7 有限元模型

4.2 计算结果

从以下计算结果中可以看出，钢锚整体受力均匀，除部分焊接处应力较为集中外，板件应力主要分布于80～100 MPa之间。其中腹板受力在80～95 MPa之间，顶板受力在80～92 MPa之间，底板受力在83～98 MPa之间。板件焊接处应力集中明显，多发生于板件结束末端。图8～图13为应力云图。

图8 整体von-Mises应力云图

图9 腹板von-Mises应力云图

图10 顶板von-Mises应力云图

图11 底板von-Mises应力云图

图12 锚固箱侧板von-Mises应力云图

图13 锚固箱顶板von-Mises应力云图

4.3 钢锚梁连接方式比对

钢锚梁、钢牛腿之间连接方式与钢锚梁结构承担的水平平衡力联系密切，故选取以下3种模式进行研究。连接方式及相应计算结果见表2。限于篇幅限制，此处仅给出应力差异较大的底板应力分布。

表2 钢锚梁连接方式比对

从以上分析结果中可以看出，在钢锚梁一端滑动（无摩擦）的情况下，钢锚梁承担所有水平平衡力。在塔柱施工过程中，锚梁与钢牛腿的接触面之间采用不锈钢和四氟板构成滑动摩擦副，用以消除钢锚梁与钢牛腿接触面之间的摩阻力对塔的影响，确保平衡水平分力全部由钢锚梁承受的受力模式。工地整体组装前，四氟板面涂硅脂，增加摩擦副的润滑性。采取相应措施后，摩擦系数可降至0.05左右。此时可以看出相较无摩擦下水平平衡力略有下降，降幅为2.8%，应力分布相近，应力幅值下降5%，内力及应力结果基本一致。如果直接采用两端固定的方式进行连接，可以看出钢锚梁应力下降剧烈，钢锚梁承担水平平衡下降至52.7%，其余荷载均由塔柱承担，塔柱受力增加。在塔柱设计时需要增加环向预应力或普通钢筋配筋率。此时钢锚梁承担水平平衡力与钢锚箱相近，由于钢锚梁结构尺寸相比钢锚箱较小，因此承担水平平衡力有限。固钢锚梁与钢牛腿设计时不宜采取两端固定的方式。

4.4 局部板件应力分析

（1）锚固箱侧板后方加劲板

从以下结果中可以看出：采用加劲板后锚固箱侧板应力集中得到明显改善，应力由284 MPa下降到95 MPa；锚固箱侧板应力整体应力增加，应力分布更为均匀；锚固箱侧板与钢锚梁腹板共同承担斜拉索水平与竖向力。在锚固箱侧板增加加劲板后，锚固箱侧板分得水平力由38.6%增加至40.9%，并使锚固箱室受力趋于平均。如图14所示。

图14 锚固箱侧板后方von-Mises应力云图

（2）钢锚梁隔板

从以下结果中可以看出：在钢锚梁顶板与腹板焊接位置处，考虑隔板作用焊缝处最大应力由345 MPa下降至232 MPa；在钢锚梁腹板与锚固箱顶板焊接位置处，考虑隔板作用焊缝处最大应力由259 MPa下降至129 MPa。如图15所示。

图15 钢锚梁隔板von-Mises应力云图

5 结语

通过空间有限元实体分析可以得到以下结论：

（1）小干大桥钢锚梁受力合理，满足索塔锚固区受力要求，结构安全可靠。

（2）钢锚梁主要由顶部、底板、腹板构成的箱型闭合结构承担水平力及由斜拉索偏心引起的弯矩。锚固箱相应板件将斜拉索受力均匀传递至主要受力板件。板件应力有限，应力较高区域多集中于焊缝板件连接处。因此在钢锚梁制作中应保证焊接质量。

（3）钢锚梁与钢牛腿直接宜采取有效措施降低滑动摩擦系数，从而增加钢锚梁所承担的水平平衡力，减小塔柱受力。在摩擦系数较小时，钢锚梁受力与一端滑动下基本一致，内力及应力差不超过5%。计算时可以采用一端滑动，进行简化计算。

（4）钢锚梁加劲板有效减少了板件连接处的应力集中，减小了焊缝处受力。本文给出了，锚固箱侧板后方及钢锚梁隔板对局部结构的受力影响。为今后钢锚梁板件优化及布置形式提供参考依据。

[1]刘玉擎 .组合结构桥梁[M].北京:人民交通出版社，2005.

[2]张喜刚，刘玉擎 .组合索塔锚固结构[M].北京:人民交通出版社，2010.

[3]刘昌鹏，张喜刚，王仁贵，等.组合结构的索塔锚固区受力及结构特点研究[J].公路，2012(1):117-121.

U448.27

A

1009-7716（2017）09-0074-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.021

2017-06-22

高恩全（1981-），男，山东平邑人，高级工程师，从事桥梁设计工作。