空间索面自锚式悬索桥钢锚箱构造和受力分析

2020-06-29吴峰，封伟

四川建材 2020年6期

吴峰，封伟

(西安市政设计研究院有限公司，陕西西安 710068)

0 前言

自锚式悬索桥不需要庞大的锚锭，而是把主缆锚固在加劲梁的两端，由加劲梁承担主缆的水平分力。该水平分力通过主缆锚固区逐渐传递给整个加劲梁，因此，主缆锚固区是自锚式悬索桥传力关键区域，其构造合理，传力明确、顺畅是设计基本要求。主缆锚固区常见的锚固方式有混凝土结构锚固和钢结构锚固两种。混凝土锚固方式体积大，需要在梁内现浇混凝土，但在承受水平力的同时可以凭混凝土自重平衡主缆产生的竖向分力；钢结构锚固方式可以在工厂预制，现场安装，但需要在钢箱梁内配置压重以平衡主缆的竖向分力。目前大跨度自锚式悬索桥加劲梁多采用扁平钢箱梁，在此情况下，若使用混凝土锚固，则需要在钢箱梁和混凝土结构间设置复杂的钢混结合段。若使用钢结构锚箱，直接通过钢锚箱将水平分力传递给钢箱梁，无需结合段，但钢锚箱构造复杂，应力集中问题严重，需要探索的问题较多。本文以西安市建材北路跨灞河空间索面自锚式悬索桥为实例，介绍钢结构锚箱的构造形式和受力分析。

1 总体设计概况

建材北路跨灞河桥，结合桥址区地形、交通及地质情况，选用了自锚式悬索体系。主桥为双塔三跨，跨径布置为50+116+300+116+50(m)(见图1)，桥面总宽56 m。两根主缆呈空间线形，布置在主梁两侧，主梁锚固点处主缆横向间距为47.9 m，桥塔处理论交点横桥向的中心间距为0.5 m，跨中横向间距为41.316 m。

本桥加劲梁采用整体式钢箱梁结构，中心梁高4.0 m，正常梁段悬臂部分底部斜向上直线与风嘴相接，主缆锚固区段主梁为矩形断面(见图2)。

图1 建材北路跨灞河桥桥型布置图(单位：cm)

图2 钢梁主缆锚固区横断面图(单位：cm)

2 钢锚箱构造

本桥锚箱采用格构式结构，由锚面承压板、横向锚固板和竖板组成。其中锚面承压板厚100 mm，其上留有主缆锚具孔洞，孔洞直径203 mm；横向锚固板厚50 mm，与主梁腹板焊接；竖板厚50 mm，焊接在横向锚固板上组成格构式结构(见图3～5)。整个格构式锚箱传力明确清晰，主缆索力由锚面承压板传递给顶、底、腹板和横向锚固板，横向锚固板将力传递给腹板，进而由腹板传递至全桥断面。

图3 钢锚箱立面图

图4 钢锚箱平面图

图5 钢锚箱A-A横截面

3 钢锚箱受力分析

对于建材北路灞河桥的钢锚箱，以厚钢板连接成为复杂的空间格构形式，需对其以及周边相连板件组成的锚固区进行有限元建模，计算整个锚固区的空间受力情况并验证传力路径的准确性。

1)计算模型、边界条件及荷载。计算模型：截取锚固区所在矩形梁段及两端与其相接的一段标准梁段(见图6～7)，利用MIDAS有限软件进行板单元建模分析。

边界条件：主缆锚固后方的梁端，约束Z方向和Y方向，另一端梁端固结，其中板单元与固结点间采用刚性连接。

加载：考虑模型的自重；主缆端部拉力采用梁结构在MIDAS总体计算模型中的内力结果，并将主缆端部拉力换算为法向压力均匀加载至锚面承压板上的91个环形承压面上(见图8)。

图6 主缆锚固区梁段模型图

图8 锚面承压板模型图

2)计算结果。经过计算，从图9应力云图可以看出，大部分板件的应力在100 MPa以下，说明主缆锚固区构造较为合理。应力分布由钢锚箱逐渐传递至整个梁截面，顶板开孔靠近散索套侧的角点及风嘴和横隔板的交点处有应力集中，会出现较大应力，Von-Mises应力值为144 MPa。从图10～11可以看出，顶板在锚面承压板处应力相对较大，向着散索点方向逐渐变小，而底板应力通过竖板传递从承压板处向着散索点逐渐变大，反映出了仰面倾斜钢锚箱在顶、底板上的传力特点。钢锚箱最大应力出现在腹板与最底层横向锚固板端部交点处，Von-Mises应力值为124 MPa，而锚面承压板除了主缆锚固点应力较大外，其余应力均较小，说明大部分主缆的力通过锚面承压板传递给横向锚固板，横向锚固板传力给腹板，并在端部应力累加到最大值。