曹 平

(中鐵二十一局集團有限公司勘察設(shè)計院，甘肅 蘭州 730000)

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鋼管混凝土拱橋錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)疲勞性能研究

曹 平

(中鐵二十一局集團有限公司勘察設(shè)計院，甘肅 蘭州 730000)

為研究錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能是否滿足設(shè)計要求，結(jié)合馬道口鋼管混凝土系桿拱橋，利用有限元軟件MIDAS/FEA對鋼錨箱結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)進行理論計算分析，并進行了鋼錨箱的足尺模型疲勞試驗。結(jié)果表明：錨箱構(gòu)件的應(yīng)力受吊桿定位精度以及索力值的影響較大，實際施工過程中，必須精確定位安裝吊桿錨固體系；經(jīng)過200萬次的循環(huán)加載后，錨箱構(gòu)件所有測點的應(yīng)力值都滿足規(guī)范有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)疲勞強度的要求，錨箱結(jié)構(gòu)具有一定的抗疲勞安全儲備。

鋼管混凝土拱；錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)；有限元分析；靜載和疲勞試驗

隨著大跨度系桿拱橋的不斷發(fā)展，其跨度的增大對橋梁本身的索梁錨固結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。新建鐵路鱗游礦區(qū)至寶雞二電廠專用線馬道口系桿拱為64 m鋼管混凝土系桿拱，本橋計算跨徑64 m，梁長65.4 m。其主梁采用等高度單箱雙室箱形截面，梁長65.4 m,梁高2.5 m。拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，矢高為12.8 m，矢跨比1/5，拱軸線為二次拋物線，方程為Y=0.8X-0.012 5X2，起拱線位于梁頂下1.1 m。拱肋和箱梁之間采用吊桿連接，共設(shè)有兩排11對吊桿，除拱腳至第一根吊桿間距為8.0 m外，每對吊桿中心距為4.8 m，采用PESFD7-55新型低應(yīng)力防腐成品索體。主梁與吊桿采用鋼錨箱錨固形式，材料為Q345QqE鋼材。因為錨箱結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，受力集中，局部應(yīng)力大，是整個橋梁的關(guān)鍵傳力構(gòu)件，巨大的索力由錨固結(jié)構(gòu)傳給主梁，是控制設(shè)計的關(guān)鍵部位[1]，且錨固區(qū)受索力的直接作用，特別是在車輛移動荷載作用下由于索力變化而產(chǎn)生的影響較大。因此，對這種復(fù)雜焊接錨固結(jié)構(gòu)的強度和疲勞性能應(yīng)引起高度重視，有必要對其進行相關(guān)實驗研究，以檢驗其承載能力和抗疲勞性能是否滿足設(shè)計要求，從而保證全橋結(jié)構(gòu)的安全運營、提高結(jié)構(gòu)耐久性、延長使用期限。

1 有限元模型分析

為了確定疲勞試驗?zāi)Ｐ偷募虞d方案以及對錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進行理論分析，利用有限元軟件MIDAS/FEA建立了鋼錨箱局部空間模型，其中，X方向表示縱橋向，Y方向表示橫橋向，Z方向為豎向。采用3D單元模擬了馬道口鋼管混凝土系桿拱橋的下錨箱，由圣維南原理[2]可知，在錨箱螺栓錨固處，很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，故此處單元劃分予以適當加密，共劃分單元47 781個。為了更準確地模擬錨箱受力，對錨箱底部部分節(jié)點進行了全約束，約束了螺栓Y方向的位移并施加向下的面荷載模擬該處受力，錨墊板處也施加了面荷載模擬吊桿對錨箱結(jié)構(gòu)的壓力, 如圖1所示。

圖1 有限元模型邊界約束條件以及荷載的施加

利用有限元模型對錨箱結(jié)構(gòu)進行了靜力加載模擬分析，靜力試驗與疲勞試驗的最大荷載Pmax=800 kN，與疲勞試驗的上限一致，設(shè)置4個加載等級以模擬吊桿張拉力的變化，即200 kN，400 kN，600 kN，800 kN。限于篇幅，本文僅給出了荷載等級為800 kN時錨箱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖結(jié)果，如圖2所示。

有限元計算分析結(jié)果顯示，吊桿端頭錨固區(qū)域的應(yīng)力水平較為顯著；加載等級由200 kN逐級變化至800 kN，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化基本呈線性遞增，表明錨箱結(jié)構(gòu)一直處于線彈性受力狀態(tài)；從錨箱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖可以看出，錨箱鋼板交接處的應(yīng)力水平相對較高而且復(fù)雜，此處焊縫質(zhì)量的好壞直接影響到結(jié)構(gòu)的受力，應(yīng)在此處布置測點以了解此關(guān)鍵區(qū)域的應(yīng)力變化。

圖2 荷載等級為800 kN時結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

2 靜載和疲勞試驗

2.1 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

錨箱疲勞試驗采用足尺模型[3]，即采用與實際錨箱尺寸相同的構(gòu)件進行試驗研究。試驗?zāi)Ｐ驮敿殬?gòu)造及加載方式見圖3[4]。本次試驗加載頻率3 Hz，共加載200萬次。

2.2 靜載試驗測試結(jié)果

根據(jù)有限元計算分析結(jié)果，應(yīng)在應(yīng)力水平相對較高的錨箱鋼板焊接處布置測點[5]，具體布置如圖4所示，一共粘貼應(yīng)變花4個。在進行疲勞試驗前，對模型進行靜載試驗，為保證試驗?zāi)Ｐ筒槐黄茐?，靜載試驗的荷載應(yīng)分級施加。疲勞試驗完成后，如果試件仍未破壞，即進行靜載試驗，靜載試驗按3倍的承載力分級施加。

圖3 錨箱加載布置圖

圖4 測點布置圖

靜力試驗與疲勞試驗的最大荷載Pmax=800 kN，與疲勞試驗的上限一致，荷載分級為0 kN、200 kN、400 kN、600 kN、800 kN。靜力試驗數(shù)據(jù)采用DH-3817靜動態(tài)應(yīng)變測試儀進行采集。錨箱構(gòu)件在經(jīng)過 200萬次的疲勞荷載后均未產(chǎn)生破壞，疲勞試驗后的靜載試驗結(jié)果與疲勞加載前靜載測試結(jié)果相比，未產(chǎn)生太大的變化，限于篇幅，僅給出了測點3疲勞試驗后的靜載測試結(jié)果，如圖5所示。

圖5 測點3應(yīng)力變化情況

2.3 疲勞試驗測試結(jié)果

疲勞試驗采用常幅正弦波荷載，上限Pmax=1 050 kN，下限Pmin=100 kN。采用的試驗機加載頻率為3 Hz。加載次數(shù)共200萬次。為了監(jiān)測各點應(yīng)力，在試驗過程中每加載40萬次，停機檢查靜載應(yīng)變測量，并檢查是否出現(xiàn)可見微裂縫或異常情況。疲勞試驗應(yīng)變數(shù)據(jù)采用 DH-3817動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)進行采集。限于篇幅，本文僅給出測點3的疲勞測試結(jié)果，如圖6所示。

疲勞試驗前后對構(gòu)件進行了靜力加載，荷載等級由200 kN逐級變化至800 kN的過程中，結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵測點的實測應(yīng)力呈線性變化，卸載后構(gòu)件的殘余應(yīng)力水平較低，說明疲勞加載后錨箱構(gòu)件仍處于線彈性范圍內(nèi)，其抗疲勞性能滿足設(shè)計要求[6]；靜載試驗應(yīng)力實測值與理論計算值吻合良好，說明本次有限元分析過程中邊界條件的模擬、荷載的施加較為準確。從錨箱構(gòu)件的疲勞試驗應(yīng)變時程曲線可以看出，整個試驗過程中未出現(xiàn)超過規(guī)范容許值的應(yīng)變，說明焊縫測點處焊接質(zhì)量滿足要求[7]。

圖6 測點3應(yīng)變時程曲線

3 結(jié)束語

(1)通過與疲勞加載前后靜載試驗實測結(jié)果的對比分析可知，理論值與實測值吻合良好，充分說明了有限元仿真模型的建立、邊界條件的模擬、荷載模式的選擇以及構(gòu)件物理參數(shù)的取值均符合現(xiàn)場實際。

(2)由靜載試驗結(jié)果與理論模型計算的對比分析結(jié)果可知，錨箱構(gòu)件的應(yīng)力受吊桿定位精度以及索力值的影響較大，實際施工過程中，必須按照設(shè)計要求的定位精度安裝吊桿錨固體系[8]。

(3)通過對錨箱結(jié)構(gòu)疲勞試驗應(yīng)力時程反應(yīng)的分析可得，經(jīng)過200萬次的循環(huán)加載后，錨箱構(gòu)件所有測點的應(yīng)力值都滿足規(guī)范有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)疲勞強度的要求，錨箱結(jié)構(gòu)具有一定的抗疲勞安全儲備[9]。

[1]周金枝，張帆.廈漳大橋索梁錨固結(jié)構(gòu)疲勞試驗研究[J].公路工程,2012,37(04):132-134.

[2]朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用[M].北京：水利電力出版社，1978.

[3]趙順波.工程結(jié)構(gòu)試驗[M].鄭州:黃河水利出版社,2001.

[4]鄭綱，王天亮.獵德大橋吊索錨箱傳力和疲勞性能試驗方案設(shè)計[J].世界橋梁,2009(1):49-52.

[5]周友生，劉幸福.拉薩河特大橋主橋吊桿和錨箱疲勞試驗研究[J].橋梁建設(shè)，2005(5):56-59.

[6]GB50017-2003.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[7]陳傳堯.疲勞與斷裂[M].武漢:華中科技大學出版社,2002.

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[9]曾超，奚紹中.隨機荷載作用下鋼構(gòu)件的疲勞可靠度研究[J].西南交通大學學報，1994，29(1)：14-17.

Research on fatigue behavior of cable-girder anchorage for concrete-filled steel tubular arch bridges with steel anchor box

CAO Ping

(ChinaRailway21stBureauGroupCo.,Ltd,Lanzhou730000,China)

To study whether the fatigue behavior of cable-girder anchorage with steel box girders whether meets design requirements, the stress state of steel anchor box of concrete-filled steel tubular arch bridges in Madoukou is theoretically calculated by the finite element software MIDAS/FEA and fatigue test of the full-scale model of steel anchor box is done. The results show that stress of the anchor box structure is greatly influenced by suspender-positioning accuracy and cable force value. Therefore, the suspender anchor system must be accurately positioned and installed in actual construction process. In addition, stress value of all points of steel anchor box meet specification requirement on the steel structure fatigue strength after 2,000,000 load cycles and anchor box structure has a certain anti-fatigue safety reserves.

concrete-filled steel tube arch; anchor box cable-girder anchorage; finite element analysis; static load and fatigue test

2015-01-28

曹 平(1987-)，男，甘肅臨洮人，碩士，助理工程師。

1674-7046(2015)02-0017-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2015.02.004

U441+.4

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