钢箱梁斜拉桥索塔锚固区的受力性能

第 2O卷 第 4期 2007年 7月 中 国 China J ournal 公 路 of Highway 学 报 and Transport Vo1．2O No．4 July 2007 文章编号：1001—7372(2007)O4—0048—05 O 钢箱梁斜拉桥索塔锚固区的受力性能 狄 谨 ，周绪红 ，游金 兰 ，张 茜 (1I长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；2．兰州 3．湖南大学 土木工程学院 大学 土木工程与力学学院，甘肃 兰州 730000； ，湖南 长沙 410082) 摘要：以青岛海湾大桥红岛通航孔斜拉桥为背景，介绍了耳板式索塔锚固区的构造特点；应用弹性 力学解析方法求出了销铰的接触应力；采用有限元方法对索塔锚固区在最不利荷载组合作用下的 受力性能进行了研究，并考虑了几何非线性和 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 非线性对钢锚箱进行 了极限承载力分析。结果 表明：最不利荷载组合作用下耳板锚孔处的最大Von Mises应力为203 MPa；索塔钢锚箱的极限承 载力约为设计荷载的 5．O2倍 ，具有足够的安全储备 。 关键词：桥梁工程；索塔锚固区；有限元方法；接触应力；极限承载力；斜拉桥；钢锚箱 中图分类号 ：U443．37 文献标志码 ：A Mechanical Property of Cable-pylon Anchorage Zone of Cable-stayed Bridge with Steel Box Girder DI Jin ，ZHOU Xu—hong ’ ～，YOU Jin—lan ，ZHANG Qian ’ (1．School of Highway，Chang’an University，Xi’an 710064，Shaanxi，China；2．School of Civil Engineering and Mechanics，Lanzhou University，Lanzhou 730000，Gansu，China；3．School of Civil Engineering， Hunan University，Changsha 410082，Hunan，China) Abstract：Based on the Hongdao Channel Bridge of Qingdao Bay Bridge，the configuration character of the ear plate cable—pylon anchorage zone was introduced．The contact stress between pin and pinhole was calculated by elasticity mechanics method．The mechanical property of cable— pylon anchorage zone under the composite effect of the worst load was discussed by the finite element method． The ultimate bearing capacity of steel box girder was analyzed with consideration of geometric and material nonlinear．Analytical result reveals that the maximal Von Mises stress is 203 MPa appearing on the anchor hole of ear plate under the composite effect of the worst load．The ultimate bearing capacity of cable—pylon with steel box girder is 5．02 times of designing load and the cable—pylon anchorage zone has enough safety reservation． Key words： bridge engineering； cable—pylon anchorage zone； finite element method； contact stress；ultimate bearing capacity；cable—stayed bridge；steel anchor box 引 仁 斜拉桥索塔锚固区是将斜拉索的索力安全、均 匀地传递到塔柱的重要构造。索塔锚固形式一般可 分为鞍座式、锚固梁式、支承板式和钢锚箱式，其中 钢锚箱式锚 固形式构造复杂，受力集中，是控制设计 的关键部位 。采用此种锚固形式的桥梁有法国诺曼 底桥、希腊埃弗里布斯桥、丹麦一瑞典的厄勒海峡桥 收稿 日期 ：2006—10—09 基金项目：国家自然科学基金项目(50608005)；山东省交通科技计划项目(2006X015) 作者简介：狄 i~(1972一)，男，湖南泪罗人，副教授，工学博士研究生，E-mail：dijin@sina．corn。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 狄 谨，等：钢箱梁斜拉桥索塔锚固区的受力性能 49 以及在建的希腊雷翁一安蒂里翁桥 和中国的青 岛海湾大桥红岛通航孔斜拉桥(后文简称为红岛航 道桥)等。钢锚箱式锚固形式的传力途径为：索力首 先传至钢锚箱耳板，再由耳板传到锚箱外板，此时索 力在顺桥向的分力有相当大的一部分被锚箱外板承 担，其余的顺桥向分力和竖向分力传至混凝土塔柱。 本文中笔者以红岛航道桥工程为背景 ，通过弹性力 学解析法和有 限元方法对锚固区的接触应力 ，耳板 、 锚箱的应力分布以及钢锚箱的极限承载力进行 分析。 1 销铰接触应力的弹性力学解 红岛航道桥结构形式为独塔双索面钢箱梁部分 斜拉桥，采用四跨连续半漂浮体系，桥跨布置为 60 1TI+120 m+12o m+60 m。索面呈竖琴型，斜拉 索采用平行钢丝束。主梁采用流线型扁平封闭钢箱 梁，每幅钢箱梁宽度为 20 m。采用 H型索塔，塔柱 断面为带倒角矩形截面。该桥索塔锚固区采用钢锚 箱式锚固结构，其钢锚箱的构成为 6块左右对称的 齿状横 隔板 (厚 2O mm)、9条 竖 向加劲 肋 (厚 2O ram)、竖隔板(厚 6O～80 ram)、耳板 (厚 80 ram)、耳 板补强板(厚 2×4O ram)及 6对前后对称的斜 向耳 板加劲板(厚 20 ram)，如图 1所示 。 对 称 轴 (a)整体构造 (b)断向构造 图 1 钢锚箱构造 Fig．1 Configuration of Steel Anchor Box 在索力作用下，耳板式索塔锚固结构的销轴和 耳板销孔紧密贴合发生局部变形，两者的接触应力 可以通过弹性力学理论进行初步分析 ]。 根据文献[3]中赫兹证明的结论，2个正交圆柱 体接触面上的最大压力 q。可用式(1)进行计算 3P ⋯ qn一 —2n—ab (1) 式中：P为接触面上 的总压力 ；n、b分别 为椭 圆的 长、短半轴 ，且有 n=mE ]1／3 [ ) 式中：k ：(1--／l{)／(hE )，k 2一(1一 )／(hE2)， 、 分别为两接触弹性体的泊松比；E 、E 分别为两 接触弹性体的弹性模量；m、 是和比值(B—A)／ (B+A)有关的系数，其值见文献[3]。 当a／b趋于无穷大时，就得到 2个圆柱体相接 触的情况，实际上就是 n趋于无穷大而 b有限的特 殊情况 ，这时接触面成为宽度为 26的无限长条，且 接触面压力沿接触面宽度方向按半椭圆形分布。令 接触面的每单位长度上的接触应力为 P‘，则 P 一 nbq。／2，从而得到最大压力 q。一2P ／(7c6) (3) 综合式(1)～(3)可得 (4) 当 E 一Ez—E且 一 z—O．3时，式(4)变为 = 0．418 婴R1Rz (5) 式中：E为索塔耳板锚固结构弹性模量；R 为锚孔 半径；R 为销轴半径。 对于如图2所示的2个圆柱体接触情况，只要 将式(4)、(5)中 的 R +R 改 为 R 一 R 即 可。 取 E一21O GPa， Rl一 167．50 mm， R2： 167．25 mm ， 耳板厚 t=80 1Tim， 根据整体分析求 得 ：最 不 利荷 载 组合下最大索力 y‘ ． 图2 销子L与销轴的接触情况 Fig．2 Contact Between Pin and Pinhole N=8 173 kN，P 一N／f一102．16 kN·mm_。，代入式 (5)得耳板销铰接触面上最大压力为182．9 MPa。 2 索塔锚固区有限元分析模型 2．1 有限元模型 采用壳单元和实体单元建立索塔锚固区空间分 析模型。壳单元和实体单元之间采用共节点连接。 为减小边界效应对锚固区受力的影响，锚箱上、下的 塔柱长度均取 5 1TI。整个模型共分 22 980个单元， 22 697个节点 ，如图 3所示 。 2．2 边界条件及加载方式 节段模型下端固结，上端自由，在上端设一刚性 块 ，将轴力 、弯矩 、剪力均匀地施加在刚性块顶面上， 其中将弯矩等效成力偶均匀地施加在刚性块边缘节 点上，使用索塔钢锚箱模型简化了耳板与斜拉索的 维普资讯 http://www.cqvip.com 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 4期 狄 谨 ，等 ：钢箱梁斜拉桥 索塔锚 固区的受力性能 51 l3 8 。4 2 — — — ／ (a)耳板及竖隔板应力等值线 (b)耳板加劲板应力等值线 (c)锚箱外板应力等值线 图6 锚箱部分板件 Von Mises应力分布(单位 ：MPa) Fig．6 Von Mises Stress Distributions of Part Plates of Anchor Box(Unit：MPa) 在破坏荷载作用下锚孔区域屈服范 围增大，绝大部 分区域应力超过 240 MPa；耳板的应力 由销孔 向外 扩散，传递过程中应力消散速度不大；除局部区域外， 应力分布仍较均匀。 由以上分析可知 ， 耳板销 孔 和销 轴接 触 位置是结构的破 坏点。 图 8、9分别为极值点 索力一应 力、索 力一位 移 关系 曲线。从 图 8、9 可以看出：当荷 载达到 设计 荷 载 的 3．46倍 ， 即索 力为 28．313 MN 时，破坏点顺桥 向位移 为 6．32 1Tim，竖 向位移 为一1．38 rnlTl，Von Mi— ses应力为 349．87 MPa， 图 7 5．02倍 荷载作 用下耳 板 Von Mises应 力分布 (单位 ：MPa) Fig．7 Von Mises Stress Distribution of Ear Plate IJnder 5．02 Times 达到材料的屈 服强度 ， Load(Unit：MPa) 结构进入弹塑性工作阶段，此后顺桥向位移随着索 力的增加显著增大；当荷载达到设计荷载的 5．02 倍 ，即索 力为44．106 MN时 ，破坏点顺桥 向位移 为 49．46 mlTl，竖向位移为5．59 mm，Von Mises应力 为 468 MPa，达到了材料的抗拉极限强度 ，结构发生 破坏。 4．3 钢锚箱其他板件应力 在破坏荷载(5．02倍设计荷载)作用下，钢锚箱 其他板件的应力水平都有很大提高。箱内竖隔板应 力增加较明显 ，局部应力达到 300 MPa，如 图 10(a) 所示；斜向布置的耳板加劲板总体应力水平不超过 250 MPa，在倒角处 出现应力集 中，应力值超过 305 MPa，达到了材料的屈服强度，开始进入塑性阶 段 ，如图 10(b)所示；锚箱外壁大部分区域应 力超过 78 MPa，在 与耳 板 相 连 的 局部 区域 的应 力 达 到 舟 山 目 图 8 应力极值点 Von Mises应力随索力的变化 Fig．8 Variation of Von M ises Stress VS Cable Force at M aximal Stress Point 顺桥向位移／ram (a)JO桥向位移随索力变化 竖 向位 移／ram (b)竖向位移随索力变化 图 9 位移极值点位移 随索力的变化 Fig．9 Variations of Displacement VS Cable Force at M aximal Displacement Point 256 MPa，如图 10(c)所示 。 5 结 语 (1)弹性力学理论分析虽是简化计算 ，但通过 比 维普资讯 http://www.cqvip.com 52 中 国 公 路 学 报 2007年 84．4 84 4 (a)耳板及竖隔板应力等值线 (b)耳板加劲板应力等值线 (c)锚箱外板应力等值线 图 10 5．02倍荷载作用下锚箱部分板件 Von Mises应力分布(单位：MPa) Fig．10 Von Mises Stress Distributions of Part Plates of Anchor Box Under 5．02 Times Load(Unit：MPa) 较可知其计算结果与线弹性有 限元分析结果相近， 其计算结果具有较高的参考价值。只是该方法只能 分析圆形接触面上 的接触表面应力，而无法计算接 触面外的应力，但其计算简单方便，可用在前期设计 中作粗略估算 。 (2)在最不利荷载组合作用下，在耳板销孔和销 轴相接触位置 Von Mises应力最大值为 203 MPa， 但未超出材料的屈服强度；锚孔 Von Mises应力大 致关于斜拉索呈对称分布；锚固区耳板应力在传递 过程中扩散较快，趋于平均，越远离应力集中区域应 力越小，大部分区域应力在 70～150 MPa之间；钢 锚箱其他板件的应力水平均较低，不超过 6O MPa。 (3)在破坏荷载 (5．02倍设计荷载)作用下，锚 孔加载区材料达到极限强度，锚孔区域屈服范围增 大 ，绝大部分区域 Von Mises应力超过 240 MPa；箱 内竖隔板的应力发展较迅速，局部 Von Mises应力 超过 300 MPa；当材料达到屈服强度后构件变形速 度迅猛，破坏时锚孔位移极值点顺桥向位移达到 49．46 mm。 (4)耳板式索塔锚固结构的耳板销孔在销轴挤 压下产生很大的局部应力，其强度不易满足设计要 求。当大跨度斜拉桥采用这种锚固方式时，建议耳 板材料用强度较高的钢材，且在销孔周围进行局部 加强。 参考文献 ： References： [1] 严国敏．斜拉 桥[M]．成都：西南交通大学 出版社， 2000． YAN Guo-min．Cable-stayed Bridge[M]．Chengdu： Southwest J iaotong University Press，2000． [-23 陈明宪．斜拉桥建造技术I-M]．北京：人民交通出版社， 2003． CHEN Ming-xian．Construction Technologies of Cable- stayed Bridge[M]．Bei]ing：China Communications Press，2003． [3] 徐芝纶．弹性力学I-M]．北京：高等教育出版社，2005． XU Zhi—lun．Theory of Elasticityl,M]．Beijing：Higher Education Press，2005． [4] 刘庆宽，强士中，张 强，等．斜拉桥耳板索梁锚固结构 受力特性研究[J]．中国公路学报，2002，15(1)：72—75． I IU Qing—kuan，QIANG Shi—zhong，ZHANG Qiang， et a1．Structural Analysis of Ear-plate Cable and Beam Anchorage for Cable-stayed Bridgel,J]．China Journal of Highway and Transport，2002，15(1)：72—75． I-5] 颜 海，范立础．大跨度斜拉桥索梁锚固中的非线性接 触问题[J]．中国公路学报，2004，17(2)：46—49． YAN Hai，FAN Li—chu．Research on Nonlinear Contact Problem of Cable-beam Anchorage for Long-span Ca— hie-stayed Bridge l,J]．China Journal of Highway and 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