自錨式懸索橋鋼錨箱設(shè)計及受力分析

黃智華

（上海浦東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海市 201204）

自錨式懸索橋鋼錨箱設(shè)計及受力分析

黃智華

（上海浦東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海市 201204）

自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)新穎美觀，大纜和主梁錨固構(gòu)造是其關(guān)鍵部位。對上海浦東川環(huán)南路浦東運河橋的總體設(shè)計作了介紹，該橋為112 m+72 m主跨的自錨式選索橋。采用雙主梁的鋼箱梁，錨箱為鋼結(jié)構(gòu)。鋼錨箱設(shè)計新穎，構(gòu)造獨特。由于其受力特點不易認識，因此，采用板殼單元的有限元模型進行分析，得到了其傳力途徑及各部位應(yīng)力水平。

自錨式懸索橋；錨固型式；鋼錨箱；有限元模型

1 項目概況

上海川沙屬于浦東新區(qū)，浦東國際機場位于川沙功能區(qū)，2009年，國務(wù)院批復(fù)迪斯尼樂園項目落戶川沙。因此川沙的地理位置非常重要。川環(huán)南路位于川沙城區(qū)，東西向穿越鎮(zhèn)區(qū)中心。川環(huán)南路跨越浦東運河，需新建橋梁。浦東運河規(guī)劃河道藍線寬85 m。由于地理位置非常顯要，且該區(qū)域準(zhǔn)備修建生態(tài)島，川環(huán)南路跨越浦東運河的同時，需要跨越該生態(tài)島，因此，112 m+72 m跨徑組合的自錨式懸索橋在眾多方案比選中脫穎而出，既滿足跨越要求，又具有獨特的景觀效果，見圖1。目前該橋已經(jīng)進入實施階段。

圖1 浦東運河自錨式懸索橋效果圖

2 結(jié)構(gòu)總體布置及鋼梁設(shè)計

國外自錨式懸索橋發(fā)展比較早[1]，我國近幾年也修建了一些這種橋型。川環(huán)南路浦東運河橋采用自錨式懸索體系，既選用了懸索橋這種大跨度結(jié)構(gòu)，又使用了自錨式體系，克服了上海軟土地基難以建造錨碇的困難。懸索橋的大氣、柔美、力感等特點，給地區(qū)的橋梁建筑景觀增添了豐富的內(nèi)涵。自錨式懸索橋主梁承受較大的水平力，且施工時需要先架設(shè)主梁，因此一般跨徑不宜做得太大。本橋根據(jù)現(xiàn)場情況選取跨徑組合為112 m+72 m=184 m的獨塔兩不等跨的型式。橋總寬32 m，兩根主纜平行布置，間距25.5 m。主跨和邊跨均設(shè)有吊桿懸吊主梁，吊桿標(biāo)準(zhǔn)間距7 m。主梁采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)，有利于施工中先架設(shè)主梁的要求。施工中采用少支架即可保證通航的同時架設(shè)主梁。在架設(shè)主纜及形成自錨式懸索橋體系的過程中，由于主梁的受力要經(jīng)歷很多不同的工況，因此鋼梁的寬廣的應(yīng)力適應(yīng)范圍使得其施工控制變得比較容易。橋塔采用雙柱門式鋼筋混凝土橋塔，塔上設(shè)置鞍座。

本橋鋼梁采用雙主梁模式，兩片鋼箱梁中心線與大纜位于同一豎向平面內(nèi)，其間距與大纜一樣，為25.5 m。利用吊桿將鋼梁的力傳給主纜。兩片鋼梁通過橫梁連接。橋面板為正交異性鋼結(jié)構(gòu)橋面板，見圖2。

3 鋼錨箱構(gòu)造及受力的問題

主梁和大纜連接需要索梁錨固構(gòu)造，目前在自錨式懸索橋上的應(yīng)用還不多，在斜拉橋方面相對應(yīng)用成熟一些[2]，國內(nèi)已有的錨固構(gòu)造很多是混凝土主梁的[3],鋼結(jié)構(gòu)主梁的自錨式懸索橋，其主纜在梁端錨固構(gòu)造主要有三種：一是采用混凝土結(jié)構(gòu)，二是采用鋼結(jié)構(gòu)，三是采用鋼絲繩[4]。

圖2 鋼梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(單位：mm)

對于浦東運河橋，采用混凝土錨固構(gòu)造，其存在錨固空間不太夠，錨下應(yīng)力過大，同時還需與鋼梁采用剪力連接構(gòu)件等問題，因此采用鋼結(jié)構(gòu)錨箱是比較合理的選擇。目前應(yīng)用比較好的例子有長沙三汊磯大橋，其錨固體為格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，由錨固前板、錨固后板、橫向板和豎向板組成[4,5]，見圖3。

圖3 鋼錨箱構(gòu)造簡圖(單位：mm)

浦東運河橋吸取了三汊磯大橋的一些構(gòu)造優(yōu)點，同時根據(jù)實際情況做了一些創(chuàng)新，其錨固系統(tǒng)主要采用錨固主板M1和橫向板M2組成，見圖3[6]。大纜的力通過M1傳給頂、底、腹板和M2。其中M2是主要傳力板，M2再通過腹板傳遞到整個斷面。整個傳力結(jié)構(gòu)簡單清晰。由于構(gòu)造較新，需要進行受力分析，采用有限元進行仿真計算可以較為真實的反映結(jié)構(gòu)的受力特點[7]。

4 鋼錨箱板殼單元受力分析

對于浦東運河橋的鋼錨箱，選取主跨部分的錨箱，利用MIDAS有限元軟件進行分析。建立鋼錨箱部分的板殼單元模型，模擬了M1（厚50 mm）、M2（厚 24 mm）、頂板（厚 50 mm）、腹板（厚 40 mm）、底板（厚40 mm）。對于大纜，其在M1板錨固部位與M1的板單元共用節(jié)點，在大纜散索鞍部位施加設(shè)計纜力14 888 kN，方向為順大纜軸心方向。大纜模擬為桿單元。在左端面將錨箱的節(jié)點自由度全部約束，模擬為固結(jié)，見圖4。

圖4 鋼錨箱有限元模型

經(jīng)過計算，得出其計算結(jié)果。根據(jù)位移云圖可以看出，鋼錨箱的腹板的上側(cè)比下側(cè)的位移大。根據(jù)圖5可以看出，M2板的應(yīng)力不大，基本在100 MPa以內(nèi)。但頂板應(yīng)力較大，在頂板的開孔靠近散索鞍側(cè)的應(yīng)力較大，且頂板在橫隔板部位附近的外側(cè)應(yīng)力也很大，均達到190 MPa。從圖6、圖7可以看出，腹板的下側(cè)應(yīng)力較小，上側(cè)應(yīng)力較大?？拷麺1處應(yīng)力較小，通過M2傳力端部應(yīng)力較大。說明主纜的力通過M1大部分通過M2傳給腹板。到傳力端部應(yīng)力累計起來較大。而且由于M2是向上傾斜，因此造成腹板上側(cè)應(yīng)力較大，Von Mises達到140 MPa。底板應(yīng)力較小。而且頂板開孔造成頂板處也應(yīng)力較大。M1的應(yīng)力除了大纜錨固點應(yīng)力較大外，其余均較小。

圖5 鋼錨箱位移云圖

圖6 鋼錨箱Von Mises應(yīng)力圖（俯視）

圖7 鋼錨箱Von Mises應(yīng)力圖（仰視）

5 結(jié)語

浦東運河橋采用鋼錨箱將大纜錨固在主梁上，其構(gòu)造形式新穎簡潔。通過鋼錨箱及錨固大纜的板殼及桿單元的計算分析，得出了鋼錨箱各部位的應(yīng)力及變形分布圖。可以查看各個細節(jié)部位的應(yīng)力，從而得知該部位的受力大小。因此通過有限元仿真計算，可以較為真實的把握結(jié)構(gòu)的受力狀況，使得心中有數(shù)。通過計算結(jié)果可以幫助設(shè)計和其他相關(guān)人員理解其傳力途徑,認識到各部位的受力大小，從而給設(shè)計、制造[8]、試驗[9]提供很好的指導(dǎo)。

[1]OchsendorfJA,Billionton D P.Self-anchored suspension bridges[J].Journal of Bridge Engineering,ASCE,1999,4(3):151-155.

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U448.25

A

1009-7716（2017）12-0044-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.013

2017-10-16

黃智華（1981-），男，湖北浠水人，高級工程師，從事橋梁設(shè)計工作。