劉大中
(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司,上海市 200092)
簡支系桿拱橋由于水平力的自平衡,其對地質(zhì)條件要求低,且跨越能力大,在橋梁建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。在系桿拱橋的傳力路徑中,索梁錨固結(jié)構(gòu)是拱橋受力中的一個關(guān)鍵部位,其負責(zé)將主梁上的荷載傳遞到吊索上,索梁錨固結(jié)構(gòu)的可靠性關(guān)乎整座橋梁的正常使用。索梁錨固結(jié)構(gòu)的受力具有應(yīng)力分布集中、結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜等特點。
典型的索梁錨固結(jié)構(gòu)有四種形式:錨箱式、錨拉板式、錨管式和銷鉸式。其中,銷鉸式通過主梁上伸出的耳板與吊索連接,吊耳位于橋面以上,其構(gòu)造簡單、傳力清晰、施工便捷、便于檢修,但是銷孔處、耳板與主梁連接處應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯[1]。
都江堰市青城大橋為老路改造工程,橋梁位于都江堰市青城大道跨越金馬河處,橋位受市域路網(wǎng)控制,為原址重建。
青城大橋計算跨徑為336m,與金馬河正交,橋梁全長350m,橋梁結(jié)構(gòu)形式為鋼拱鋼梁下承式簡支系桿拱橋。橫橋向由兩片拱肋組成,拱肋內(nèi)傾角度為12°,拱肋矢高為61m,矢跨比為1/5.5,拱軸線采用懸鏈線方程(m=1.167)。拱肋采用鋼箱拱,陀螺形斷面,拱肋寬度為3.4m,拱肋高度由拱頂?shù)?.0m變化為拱腳的7.0m,拱肋高度按照1.5次拋物線變化(見圖1、圖2)。
圖1 青城大橋立面布置圖(單位:m)
圖2 青城大橋主梁標(biāo)準橫斷面(單位:mm)
鋼梁由兩邊箱與中間正交異性橋面板及橫梁、挑臂組成,采用全焊接結(jié)構(gòu),總長度346.9 m,道路中心線處梁高3.2m,雙邊箱截面尺寸為2.5~3.42m(寬)×2.93m(高)。鋼梁寬度為 40~47m,橫梁間距3m。鋼梁單側(cè)邊箱內(nèi)設(shè)4根系桿,全橋共8根系桿,系桿規(guī)格為Z n-5%A l-P E S-1670-7-211,系桿兩端采用錨梁式錨固構(gòu)造,系桿兩端采用冷鑄錨,兩端張拉。
全橋共設(shè)26對豎吊索,縱橋向間距為12m。吊索為鋅鋁鍍層平行鋼絲,吊索兩端采用冷鑄錨,規(guī)格為Z n-5%A l-P E S-1670-7-127、151兩種。吊索在拱端采用錨管式錨固構(gòu)造,在梁端采用銷鉸式錨固構(gòu)造,在拱肋內(nèi)部張拉。
銷鉸式錨固結(jié)構(gòu)根據(jù)其與腹板的連接方式有螺栓連接式[2]、腹板外伸式、插入式等結(jié)構(gòu)類型。該項目采用插入型銷鉸式錨固結(jié)構(gòu),銷鉸式錨固結(jié)構(gòu)受力明確、便于施工,安裝過程在橋面上進行,操作空間大。在系梁內(nèi)部占用空間較少,能夠為系梁內(nèi)布置系桿留下足夠空間。另銷鉸式錨固結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)系梁縱向位移,銷軸能在縱橋向轉(zhuǎn)動,不產(chǎn)生次內(nèi)力(見圖3)。
圖3 索梁錨固結(jié)構(gòu)(單位:mm)
錨固結(jié)構(gòu)所有鋼材均采用Q345qD,耳板內(nèi)傾角度約12°,耳板在橫橋向的位置保持不變。上耳板厚度由14 cm漸變至4 cm,寬度60 cm,高度86 cm。下耳板厚度4 cm,寬度60 cm,高度約140 cm。在橫隔板及橋面板上開槽,將耳板插入橫隔板,并與橫隔板及橋面板焊接。在耳板側(cè)面布置三道側(cè)向加勁,以提供耳板的面外剛度,并改善耳板與橫隔板交叉處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。
根據(jù)全橋模型計算結(jié)果,運營狀態(tài)荷載基本組合下,計入結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1,各吊索最大索力4 100 kN。
由于主梁長度、寬度、高度均較大,需對模型進行局部精細化分析,建立節(jié)段有限元模型對銷鉸式錨固結(jié)構(gòu)進行受力分析。根據(jù)圣維南原理,采用18 m長的鋼梁節(jié)段可以保證錨固節(jié)點分析不受邊界條件影響。
計算軟件采用ANSYS,有限元模型如圖4、圖5所示,鋼板采用sh ell63單元模擬,節(jié)段模型豎向支承通過吊桿模擬,并在節(jié)段模型端部約束縱橋向的剛體位移。為減少計算量,此次分析未考慮銷軸與耳板的接觸效應(yīng)和耳板開孔的影響。
該項目索梁錨固節(jié)點設(shè)計時,對于耳板側(cè)向加勁板的設(shè)置有兩種方案:一種是僅布置兩側(cè)加勁板;另一種是布置兩側(cè)加勁板+中間加勁板。
圖4 節(jié)段幾何模型
圖5 節(jié)段有限元模型
為明確側(cè)向加勁板的作用,采用三種工況的模型進行對比,分別為工況一——不設(shè)側(cè)向加勁、工況二——僅設(shè)兩側(cè)加勁、工況三——設(shè)置兩側(cè)+中間側(cè)向加勁。三種工況的耳板應(yīng)力分布如圖6所示。
圖6 耳板Mises應(yīng)力分布
對三種工況下耳板應(yīng)力進行對比,工況一耳板大部分范圍超過鋼材許用應(yīng)力,工況三耳板內(nèi)力最小,工況二應(yīng)力居中。
由表1、表2的分析結(jié)果可知,耳板側(cè)向加勁能極大提高索力錨固節(jié)點的剛度。僅布置兩側(cè)耳板即可使錨固節(jié)點應(yīng)力在規(guī)范許可范圍內(nèi)。加設(shè)
表1 主要板件Mises應(yīng)力
表2 吊耳頂部橫橋向位移
一道中間側(cè)向加勁可以改善耳板、橫隔板等板件的應(yīng)力集中現(xiàn)象,使得節(jié)點受力更為合理。故同時布置兩道側(cè)向加勁和中間加勁為推薦構(gòu)造,鋼材用量略有增加,但是受力性能大為改善,體現(xiàn)了“好鋼用在刀刃上”的設(shè)計追求。
鋼板厚度大于40mm的Q345qD許用應(yīng)力為260MPa,圖7、圖8為索梁錨固節(jié)點主要板件分析結(jié)果,應(yīng)力大于260MPa部分以灰色顯示。
圖7 局部有限元模型
圖8 局部Mises應(yīng)力
索梁錨固區(qū)總體來看,大部分板件內(nèi)力均較小,較大應(yīng)力點均在截面突變及集中荷載作用點。系梁內(nèi)側(cè)腹板受力較大,外側(cè)腹板受力較小。吊桿集中力大部分通過耳板傳遞到系梁橫隔板。一部分通過側(cè)向中間加勁板傳遞到系梁橫隔板,還有一部分通過兩側(cè)的側(cè)向加勁傳遞到橋面板及系梁橫隔板。
耳板在銷軸錨固位置由于集中力作用,應(yīng)力集中明顯。耳板與橫隔板相交處由于截面有一定變化,考慮到中間側(cè)向加勁的有利影響,應(yīng)力集中現(xiàn)象有所改善。耳板最下端由于耳板不連續(xù),吊索力不再由十字形斷面?zhèn)鬟f,故而也有較大應(yīng)力集中。耳板除這三個部位外,受力相對較?。ㄒ妶D9)。
圖9 耳板Mises應(yīng)力
橫隔板宏觀傳力路徑偏向于將豎向力傳遞至橫梁、內(nèi)腹板側(cè)。橫隔板最大應(yīng)力集中在中部與耳板下端相交處,為小范圍應(yīng)力集中點。通過在耳板根部設(shè)置小的延長半徑,可以明顯減小此應(yīng)力集中,限于篇幅此處不再詳述(見圖10)。
圖10 橫隔板Mises應(yīng)力
側(cè)向加勁板的應(yīng)力云圖顯示,橫橋向外側(cè)應(yīng)力大而內(nèi)側(cè)應(yīng)力小,這是由于錨固結(jié)構(gòu)橫橋向的彎矩引起的(見圖11)。由表2可知,兩側(cè)的側(cè)向加勁板能極大地提高錨固結(jié)構(gòu)的剛度,減小其在橫向的位移。從絕對值上來看,側(cè)向加勁板普遍應(yīng)力相對較小,均在材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)。
吊耳中間側(cè)向加勁板能夠改變耳板的整體傳力路徑,將耳板由一字形斷面過渡為十字形斷面,傳力路徑變得更為順暢,能夠極大地減小耳板與橫隔板相交處的應(yīng)力集中;同時對于系梁頂板的受力也作用明顯(見圖12)。
圖11 耳板兩側(cè)加勁板Mises應(yīng)力
圖12 耳板中間加勁板Mises應(yīng)力
綜合以上計算分析結(jié)果可知,耳板、橫隔板、加勁板除極少數(shù)區(qū)域由于應(yīng)力集中外,大部分區(qū)域應(yīng)力均小于鋼材許用應(yīng)力。通過合理的構(gòu)造,能夠改善局部受力,更有利于索梁錨固結(jié)構(gòu)的長期工作性能。
本文介紹了青城大橋索梁錨固節(jié)點的構(gòu)造細節(jié),并對索梁錨固結(jié)構(gòu)進行不同構(gòu)造下的受力性能對比,分析出錨固結(jié)構(gòu)的合理構(gòu)造。通過對節(jié)點的有限元分析,獲得了索梁錨固結(jié)構(gòu)的受力特點:
(1)插入型銷鉸式錨固結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)系梁縱橋向位移,且占用系梁內(nèi)部空間較少。
(2)合理設(shè)置耳板兩側(cè)加勁,能夠極大改善索梁錨固結(jié)構(gòu)受力性能。
(3)插入式索梁錨固結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單、傳力清晰,但是在截面突變點應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。
(4)索梁錨固結(jié)構(gòu)由于截面變化點較多,通過合理的構(gòu)造,如設(shè)置加勁板、耳板延長板等,可以顯著改善局部受力性能。