大跨径斜拉桥索梁锚固区钢锚箱受力分析与设计方法研究

吕 凯

（苏交科集团股份有限公司, 江苏 南京 210000）

0 引言

对已建成大跨径斜拉桥的不完全统计显示，世界上跨径排名前10的斜拉桥中有7座在中国[1]。为了减轻自重、提高跨越能力，大跨斜拉桥的主跨通常采用钢主梁或钢混叠合梁，边跨除了可以采用与主跨相同主梁形式外，也可采用自重较大的混凝土梁以减小边跨跨径。不同于混凝土主梁可以设置锚固斜拉索的齿块，钢主梁需要设置专门的索梁连接结构以保证拉索与主梁间传力顺畅。

常见的钢主梁索梁传力结构包括锚箱、锚拉板、耳板以及锚管4种。李小珍等[2]对这4种传力结构的构造与受力进行了对比研究，发现无论哪种结构形式在索力的作用下均会发生应力集中现象，但只要采用合理的构造与板厚，依然能够实现设计要求的传力功能。张清华等[3]对苏通大桥钢锚箱进行了试验研究，明确了索力在钢锚箱中的传递路径及整个锚箱的受力模式。

锚箱通常设置在主梁边腹板外侧，当双边箱斜拉桥主梁拉索外侧设有较宽的非机动车道时，也可设置于箱内。无论锚箱位于何处，其主要传力结构均为垂直于主梁腹板设置的两块平行板件(锚箱顶、底板)，索力主要通过锚箱顶、底与腹板间的焊缝进行内力传递。为了使索力传递平顺，以上两块平行板件还要辅以适当的加劲肋以及较厚的承压板，进而形成一个单面开口的箱型结构，也就是锚箱。基于以上分析可以发现，锚箱内力主要传递路径为：锚箱承压板→锚箱顶、底板→主梁腹板。

该文基于某双塔五跨钢混叠合梁斜拉桥钢锚箱的设计过程，对索梁锚箱的受力特点和设计方法进行研究和总结，供从事设计工作的同行参考。

1 计算模型

某双塔五跨钢混叠合梁斜拉桥，主跨为530 m钢—混叠合梁，边跨为总长188 m的混凝土梁，跨内设辅助墩，钢混接头位于中跨桥塔附近。桥塔为宝石形，采用钢筋混凝土结构，水平方向配置环向预应力钢束，放置主梁的下横梁以上桥塔全高159.4 m。拉索采用扇形布置，桥塔自上而下索距为2.5 m、2.75 m和3 m，采用钢牛腿+钢锚梁的锚固形式；中跨主梁索距10.5 m，采用腹板外侧设钢锚箱的锚固形式；边跨主梁拉索距7.2 m，拉索穿过外腹板锚固在混凝土梁底部的齿块上。

采用通用有限元软件ANSYS建立主跨局部钢梁及锚箱的有限元模型（如图1），为消除圣维南效应的影响，钢梁建模范围为锚箱前、后、横向6 m范围；钢板采用SHELL63单元模拟；约束近桥塔侧钢梁边缘的纵桥向和竖向自由度，约束远桥塔侧钢梁边缘的竖向自由度以及横向钢梁边缘的横向自由度。

图1 锚箱有限元模型

由总体计算结果可知（见表1），主跨跨中M1锚箱索力最大，靠近桥塔的M4锚箱索力最小，分别为9 103 kN和4 324 kN。以M1、M4钢锚箱作为典型对象进行建模分析[4]，索力施加在钢锚箱锚环范围内。

表1 锚箱相关板件厚度 /mm

2 结果分析

承压板、垫板等效板上的应力分布如图2所示，承压板应力水平较低，除M4锚箱局部有最大值116.7 MPa的应力集中外，大部分区域应力在70 MPa以下。可见在垫板和承压板具有足够抗弯刚度且合理设置加劲肋的情况下，斜拉索锚下荷载可以顺利传递至锚箱顶、底板与加劲肋组成的框架上，不会在锚垫板上产生过大的弯曲应力。

图2 承压板Mises应力（单位：kPa）

钢锚箱内外加劲板应力分布如图3所示。钢锚箱外侧加劲板应力高于内侧，在加劲板与承压板相交的外边沿以及M1锚箱的手孔处有一定应力集中，最大值194 MPa。其他区域应力水平较低且距锚固板较远的位置应力很小，可以适当减小腹板及加劲肋的长度。

图3 腹板、加劲肋Mises应力（单位：kPa）

根据锚箱顶、底板的应力分布图，顶、低板前端与主梁腹板接触位置产生了数值较大的应力集中，最大值远超钢材设计强度，达到635 MPa。无论采用哪种锚固体系都不能避免应力集中现象的发生。试验研究表明，板件小范围应力超过材料屈服强度不会对结构的受力安全性造成影响。通过将应力云图的显示范围设置在150 MPa以下后发现，应力集中范围很小，大部分区域的应力水平不超过150 MPa。实际中可以通过小范围的塑性变形来释放该位置的应力，不会扩散对结构整体造成影响。通过计算同时可以发现，应力集中位置上方区域应力水平较低，实际设计中可以增大该位置的倒角尺寸。

根据主梁腹板应力分布图（图4），主梁腹板应力水平总体较低，仅在锚箱顶板、承压板与腹板相交的小范围内有应力集中发生，最大值249.0 MPa。通过进一步观察可以发现，两处应力集中均发生在板件末端刚度突变的位置，腹板内侧均设置了竖向加劲肋。

图4 主梁腹板 Mises应力分布（单位：kPa）

根据主梁内竖向加劲板的应力分布图，加劲板与顶板及腹板相交位置的应力水平较高，实际中通过焊孔释放该位置的应力。

通过以上分析可知，采用设计板厚时钢锚箱及邻近主梁区域各板件受力状况良好，仅腹板局部存在小范围的应力集中，均未超过材料的设计强度。

3 结论

承压板将索力传递至锚箱顶、底板，自身则承受锚下弯曲应力的作用；钢锚箱顶、底板远塔端受到承压板传来的压力，再通过与主梁腹板相接的焊缝将压力传递至主梁上。锚箱加劲肋与顶、底板组成框架体系，有助于减小承压上的弯曲应力；锚箱腹板及加劲肋承受部分拉索压力，而后通过纵向焊缝传递至锚箱顶、底板上，能够降低顶、底板与承压板接触区域的应力水平；合理地设置锚箱腹板及加劲板可以提高锚箱整体性及刚度，防止锚箱在索力作用下发生不利于受力的变形。