钢混叠合梁拉索锚固区受力性能分析

王良雷

（华东建筑设计院市政工程设计院，上海市 200041）

钢混叠合梁拉索锚固区受力性能分析

王良雷

（华东建筑设计院市政工程设计院，上海市 200041）

斜拉桥结构已经成为了桥梁工程中最常见的一种结构形式，近年来有了较大的发展。但拉索锚固区的合理设计一直是斜拉桥设计的重点。斜拉桥的索梁锚固形式的优化也有一定程度的发展，最常见的索梁锚固形式包括齿块式、锚箱式、锚拉板式等，其中锚拉板式应用相对较少。针对背景工程在叠合梁中所用的锚拉板式索梁锚固区开展相关研究，对锚头与锚垫板之间的传力特性进行了接触非线性分析，对锚固区内锚拉板自身的结构性能，锚固区内主梁的力学性能进行了研究。并对锚固区内关键焊缝的受力情况进行研究，对锚固区的结构性能进行了综合评价。

斜拉桥；锚拉板；受力性能；数值模拟；焊缝应力

0　引言

斜拉桥巨大的索力集中地作用于索梁锚固结构，索梁锚固结构是一个局部应力大、传力复杂的区域，它要将巨大的索力分散到整个主梁截面[1]。因此斜拉索的锚固结构是斜拉桥的关键部位，斜拉索锚固的可靠与否直接关系到整个大桥的安全。设计时应尽量使力线流畅，避免出现过大的应力集中；否则，在长期动载和静载作用下，可能出现疲劳或强度破坏。

斜拉桥索梁锚固结构不仅要设计合理，还要注意实际的加工工艺水平以及考虑养护的方便。在斜拉桥的设计寿命期间，斜拉索的更换在正常情况下已不可避免，因而要求锚固结构上拉索可以且能方便的更换。对于主梁来说，斜拉索锚固结构应尽量减少甚至避免对主梁的削弱以及对主要受力构件的切断；锚固结构要使索力的传递途径简捷，主梁各构件受力尽量明确，而且能使强大的集中力在主梁中迅速地分散，变得均匀。另外，由于锚固点处受巨大的索力作用，所以锚固点附近的桥面板、腹板、底板等构件要注意防止局部破坏。

目前，斜拉索与混凝土梁连接主要采用齿块式锚固形式；我国大跨度钢箱梁斜拉桥中常见的索梁锚固型式主要有以下四种[2]：锚箱式锚固形式、耳板式锚固形式、锚管式锚固形式、锚拉板式锚固形式。

齿块式锚固的锚固块根据传力的要求和构造的形式可以分为顶板齿块锚固式、腹板齿块锚固式和底板齿块锚固式，每种锚固形式都可以适用于不同的锚固区构造。在力的传递方面，拉索水平分力主要通过锚固块以轴压的形式传给齿块附件的顶板、腹板或底板，后再分布到梁体全截面，竖向分力主要通过锚固块以剪力的形式传给腹板。

锚箱式连接是设置锚固梁，将锚固梁用焊接或高强螺栓与主梁连接，斜拉索锚固在锚固梁上；也有的将主梁外伸出牛腿作为锚固梁[3]。由于锚固梁在多个方向需要补强，在设计时一般做成锚箱。锚箱式索梁连接的优点是腹板不受各索横向倾角的影响，可以采用固定倾角，倾角之差可在锚箱内调整，降低了制造难度，便于节段的标准化生产；斜拉索减振可以使用内置式阻尼器，并能保证阻尼器牢固的连接在主梁上，能充分发挥阻尼器的作用；对材质没有特殊的要求；锚头置于风嘴内，景观效果好。

耳板式连接也称为销铰式连接，它由主梁的腹板向上伸出一块耳板，斜拉索通过铰或钢管锚固在耳板上，索力直接由耳板传给主梁的腹板。该种结构具有构造简单，传力明确、顺畅，便于安装和日常检修等优点，但只适合在塔端张拉。

锚拉板式锚固结构由承压板、锚管、锚拉板、加劲板及加强板组成。锚拉板上部开槽，槽口内侧焊于锚管外侧，斜拉索穿过锚管并用锚具锚固在锚管底部；锚拉板下部直接用焊缝与主梁上翼板焊接；锚拉板中部除了满足安装锚具的空间需要之外，还需连接上、下两部分。为了补偿开槽部分对锚拉板截面的削弱，以及增强其横向刚度与整体性，锚拉板的两侧焊接加劲板。另外，为确保索力均匀地传给主梁，与锚拉板连接区域的主梁上翼板加厚，钢主梁腹板增设加劲板[4]。该种结构可以适应各斜拉索横向倾角的不同，使腹板采用固定倾角，降低了制造难度；同时，其构造简单，便于安装和日常检修，但锚固系统外露不美观；由于拉板与腹板连接是一很长的水平端焊缝，在强大的拉力作用下，疲劳问题较为明显[5]。

1　背景工程与分析方法

本文的背景工程为某钢混组合梁斜拉桥，大桥跨径布置为：162 m+480 m+202 m斜拉桥+4×40 m预应力混凝土箱梁，桥梁全长1 014 m。主桥采用双塔三跨半漂浮体系空间索面结合梁斜拉桥，桥面总宽为27.5 m。主梁将混凝土桥面板与钢纵梁和钢横梁连结成整体的钢-混组合结构，其中桥面板既能将车轮活载传递给钢纵梁和钢横梁，又能参与钢纵梁和钢横梁的受力,还起到了连接钢纵梁和钢横梁的作用，保证三者的整体变形，形成所谓的合成桥面板。这种形式的主梁大大减少了梁段制造或浇筑的尺度和重量。

斜拉索与主梁之间通过锚拉板进行锚固。每个桥塔两侧各有19对斜拉索，空间双索面体系要求根据拉索位置的不同，锚拉板的顺桥向及横桥向倾角也随之变化，见图1。

图1　锚拉板构造示意图

为了对索梁锚固区的受力特性进行较全面的分析，对索梁锚固区局部的传力机理及受力的合理性进行分析研究，应用大型有限元通用分析软件ANSYS，主要采用子结构法对局部进行三维建模分析。首先应用网格划分较为粗糙的总体模型进行总体受力分析，然后从总体模型的分析结果中得到局部分析区域的荷载及位移边界条件，并根据实际尺寸、构造建立局部精细化模型，并将其荷载及位移边界条件作为反力施加在相应的位置上，最后分析局部区域子结构，计算局部应力，见图2。

图2　计算分析有限元模型

为准确模拟在巨大索力下锚头与锚垫板的接触状态，在锚垫板与锚具螺母之间建立接触单元，以锚垫板表面为目标面，以锚具螺母表面为接触面，建立有限元模型分析两者的接触非线性行为。接触摩擦系数参照结构设计规范（GB 50017-2003），取值为u=0.35。

2　锚固区受力性能分析

锚头的接触非线性结果分析表明，锚头与锚垫板在索力作用下的接触状态见图3。其中，红色区域表示锚垫板与锚具螺母紧密接触（Closed and Sticking）的区域；橙色区域表示锚垫板N7与锚具螺母紧密接触但接触面水平向有较小相对滑移（Closed and Sliding）的区域；黄色区域表示锚垫板N7与锚具螺母有一定脱开位移（Open but Near Contact）的区域，但是仍然接近于接触状态；本次接触单元计算结果中没有完全脱开的区域（Open and Not Near Contact）。分析结果表明锚头基本与垫板全接触，垫板的厚度选取较为合适。

图3　螺母与锚垫板接触示意图

总的来说，锚拉板是多块钢板焊接而成的空间结构，板件几何形状突变不规则，构造和受力状态较为复杂。本桥锚拉板结构在最大索力作用下基本满足要求。锚拉板各构件应力水平在允许的范围内，传力路径清晰、明确。主拉板和支撑管在二者交接的局部位置出现应力集中现象，但作用范围很小，且集中应力都较为均匀、平缓地扩散到附近区域，其他位置主拉板和支撑管的受力均较为均匀。主拉板及拉板加劲在主拉板开槽位置的应力较大，荷载从锚头传递一定距离之后主拉板和其加劲位置基本可以均匀的将荷载传递至主梁处，各板件的刚度选取较为合理。锚固区总体的应力水平均控制在200 MPa以下，局部小范围的集中区域不超过300 MPa，且应力能得到较好的扩散，见图4。

图4　锚拉板各板件应力Mises总体分布

3　锚固区主要焊缝的受力分析

锚固区锚拉板受力特性分析锚固区钢梁受力性能分析索梁锚固区是构造复杂的空间结构，板件与板件之间通过焊缝连接，为确保结构有足够的安全性及耐久性，对焊缝的强度要求较高。在巨大索力的作用下焊缝处应力水平将直接影响锚固区的安全。如图5所示，红色线标出了索梁锚固区几条主要焊缝的位置，提取相应位置节点的内力，以此分析焊缝的受力性能。提取的位置有：结合梁锚固区的三个位置，结合梁与锚拉板的结合位置，竖拉板N1与横拉板N2、N3结合的两个位置，竖拉板N1与支撑管结合位置。

图5　计算焊缝位置的示意图

对锚固区进行有限元计算分析后，提取各焊缝相应位置节点的应力值，按照各节点相对坐标进行统计汇总，得到主要焊缝的应力水平见图6。

从以上统计可以得到结合梁锚固区加劲肋处焊缝（焊缝1～3）应力水平较低，均在40.0 MPa以下，受力性能较好。锚拉板与钢主梁结合处（焊缝4）是传力的关键部位，应当予以重视，经过计算分析发现此处应力小于60.0 MPa，但该位置的疲劳特性较为突出需要对其施工质量进行控制。主拉板与其加劲结合位置处的焊缝（焊缝5～6）应力较大，平均值在100.0 MPa左右，局部位置超过160.0 MPa，但小于200.0 MPa，此处焊缝安全储备相对较小，对于焊缝质量应该严格控制。竖拉板与支撑管结合位置处的焊缝（焊缝7～8）应力水平除局部位置较大外，平均应力水平在50.0 MPa左右。局部焊缝安全储备相对较小，对于焊缝质量应该严格控制。总体而言锚固区的焊缝应力偏大，应对焊缝的工艺进行严格控制。

图6　焊缝应力汇总

4　结　语

索梁锚固结构是一个局部应力大、传力复杂的区域，它要将巨大的索力分散到整个主梁截面。因此斜拉索的锚固结构是斜拉桥的关键部位，斜拉索锚固的可靠与否直接关系到整个大桥的安全。设计时应尽量使力线流畅，避免出现过大的应力集中；否则，在长期动载和静载作用下，可能出现疲劳或强度破坏。

本文针对背景桥梁的索梁锚固区，在适当简化和合理的假定下进行有限元计算分析，以此考察本桥索梁锚固区的受力性能以及传力的合理性。通过对本桥索梁锚固区局部模型的有限元分析可以看出，本桥锚拉板结构在最大索力作用下基本满足要求，锚拉板各构件应力水平在允许的范围内，传力路径清晰、明确。仅部分局部位置出现应力集中现象，但作用范围很小，且集中应力都较为均匀、平缓地扩散到附近区域，通过改变相关构件的尺寸可有效地缓解应力集中现象。

锚固区的主拉板与支撑管相连的位置出现了应力集中现象，虽然作用范围较小，不影响总体受力性能，但在施工过程中应特别注意各板件间的连接，保证焊缝强度，减小残余应力，才能更好的确保索梁锚固区在长期动载和静载作用下的安全性与耐久性。

[1]李本伟.斜拉桥索梁锚固模型试验与计算分析[D].四川成都:西南交通大学,1997.

[2]李小珍,蔡婧,强士中.大跨度钢箱梁斜拉桥索梁锚固结构形式的比较研究[J].土木工程学报,2001,37(3):73-79.

[3]王嘉弟,赵廷衡.斜拉桥钢箱梁索梁锚固区域应力应变分析[J].桥梁建设,1997(4):20-22.

[4]侯文崎,叶梅新.结合梁斜拉桥锚拉板结构研究 [J].钢结构. 2002,17(2):22-27.

[5]任伟平,强士中,李小珍,等.斜拉桥锚拉板式索梁锚固结构传力机理及疲劳可靠性研究[J].土木工程学报,2006(10):68-73.

U441

A

1009-7716（2016）10-0040-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.10.013

2016-04-08

王良雷（1978-），男，江苏徐州人，高级工程师，从事桥梁设计工作。