湛江海湾大桥索梁锚固结构的静载试验研究.doc

湛江海湾大桥索梁锚固结构的静载试验研究段乃民，曹映泓（广东省路桥建设发展有限公司，广东 广州 510635）摘 要：介绍了锚拉板式索梁锚固结构的特点及其在大跨斜拉桥中的应用，通过对广东湛江海湾大桥锚拉板式索梁锚固结构进行足尺模型静力试验研究，得到静力荷载作用下锚拉板式索梁锚固结构各板件应力、应变分布情况。通过模型试验验证了设计的正确性及制造工艺的可行性，结合理论分析和模型试验，对其承载能力做出了评价，并对锚拉板的设计提出建议。关键词：斜拉桥；锚拉板；索梁锚固结构；试验研究1 引言斜拉桥中斜拉索的巨大索力斜向并集中地作用于斜拉桥主梁的锚固点，索梁锚固结构必须能顺畅地将索力可靠地传递给主梁。在其传力过程中，锚固点附近都会产生较大的应力集中。斜拉桥的斜拉索与钢主梁的锚固区域受力集中、结构复杂，是控制设计的关键部位。国内外修建的许多大跨度钢斜拉桥都把索梁锚固区作为设计分析的重点之一，主跨890米的日本多多罗大桥在设计中除了对索梁锚固区进行理论分析之外，还进行了足尺模型试验，以检验结构的安全性和设计计算的可靠性10；国内的南京长江二桥、广东礐石大桥、安庆长江大桥、苏通长江大桥等均对索梁锚固区进行了专门的试验研究（1:1或1:2的模型）67。这些研究成果都表明，索梁锚固区受力十分复杂，尽管现代计算理论与方法已经能够分析复杂的局部应力问题，但计算结果还是与试验结果存在一定的差异。对于大跨度斜拉桥这样的重要结构，通过模型试验与理论分析相结合的方法，研究斜拉桥索梁锚固区的索力传递机理、应力分布是十分必要的3。在现代钢箱梁斜拉桥中，斜拉索与钢主梁的锚固型式主要有散索鞍座加锚固梁、牛腿(支架)、锚管式、锚箱式、锚拉板式、耳板式等5，其中使用较多的是锚箱式、耳板、锚拉板式及锚管式。锚拉板式索梁锚固结构最早被加拿大安纳西斯桥采用，国内已建成的福建青州闽江大桥、颗珠山大桥、灌河特大桥，建设中的湛江海湾大桥也采用锚拉板式索梁锚固结构。青州闽江大桥、颗珠山大桥及灌河特大桥主梁为钢混凝土结合梁，梁体为纵横梁体系加混凝土桥面板。湛江海湾大桥主梁为钢箱梁，是锚拉板式索梁结构在钢箱梁中的首次应用。钢箱梁由顶板、底板、腹板、横隔板、各种加劲肋组成，与钢混凝土结合梁的纵横梁体系相比，索力传递过程中，各板件参与共同受力，梁体各板件受力更复杂。国内学者曾对结合梁中锚拉板式索梁锚固结构建立有限元模型进行理论分析，并对锚拉板式索梁锚固结构的设计提出一些建议12。但相关文献中均未涉及锚拉板式索梁锚固结构模型试验的结果，国内学者未对锚拉板式索梁锚固结构进行过模型试验分析。湛江海湾大桥主桥为双塔双索面钢箱梁斜拉桥，斜索在钢箱梁上的锚固采用锚拉板结构型式，如图1所示。锚拉板（N1）焊接于主梁外腹板之上的钢箱梁顶面加强板，分为上、中、下3部分。锚拉筒（N4）嵌于锚拉板上部的中间，两侧用焊缝相互连接，锚拉板下部直接焊在钢箱梁顶板上，中部除了要开孔安装锚具外，尚需连接上下两部分。为了补偿开孔部分对锚拉板截面的削弱，以及增强其横向刚度，在板的两侧焊接了加劲板(N2、N3)并和桥面板焊接，保证了锚拉板横向倾角的准确。图1 锚拉板式索梁锚固结构锚拉板式索梁锚固方式传力途径明确，构造简单，工地施工作业方便，但在焊缝连接处荷载应力和焊接残余应力集中程度都相较大。鉴于理论分析和计算很难准确反映受力区域的真实应力分布情况，所以为保证大桥施工及运营阶段的质量和安全，验证设计计算理论，检验制造工艺，把握锚拉板及其附近应力分布规律，积累设计、施工技术资料，同时也为今后科研积累科学数据，对湛江海湾大桥主桥锚拉板索梁锚固结构进行了静载足尺模型试验研究。2 静载试验设计2.1 试验模型设计根据结构试验的基本原则和湛江海湾大桥索梁锚固结构的设计图纸，以及西南交通大学工程结构试验中心试验室的具体情况，由湛江海湾大桥有限公司、中铁大桥局勘察设计研究院和西南交通大学共同确定了试验研究方案，本次索梁锚固结构的静力试验研究对象采用1:1足尺试验模型。静载模型主体包括模拟锚拉板和主梁部分。模拟锚拉板采用和实际结构完全一样的尺寸，模拟主梁采用了10m的长度，该长度能够保证锚拉板连接附近的桥面板和腹板基本不受模拟边界条件与实际情况不同而带来的影响。锚拉板及与之连接的桥面板和腹板采用了与实际结构一致的连接方式，这种模拟能够较好地保证锚拉板及其连接附近的板件应力分布及应力水平与实际结构基本一致。为了模拟实际结构中横梁端的剪力，需要在横梁上施加竖向力，如竖向力直接施加在横梁端，由于集中力作用将影响试验模型的应力分布和应力水平，从而不能模拟实际结构在该部位的应力状况，因此将试验模型的横梁延长4.5m，施加竖向力在横梁的延长段上。如图所示。与安庆长江大桥及苏通长江大桥索梁锚固区静载试验时采用的自锚式模型不同，湛江海湾大桥索梁锚固区静载试验中，为了实现索力的施加，制作L型的加力架来模拟索塔，该加力架采用箱型钢结构构件，如图2所示。a)锚固区模型 b)L型加力架图2 静载试验模型2.2 加载方案设计根据设计方提供的资料，设计荷载为：最大设计索力4 900kN，横梁端竖向剪力1 200kN，轴向力1 000kN（轴向力视试验模型与整个箱梁横断面面积之比加以折减）。通过计算得到试验时要加的基本荷载（工况I），另外还采用1.7倍设计索力（工况II）进行加载以了解结构的安全储备。因此，试验荷载如表1所示。表1 静载试验荷载 kN工况索力竖向力轴向力备注I4 9001 2001201.0倍设计索力II8 3001 900 2001.7倍设计索力斜拉索的索力通过1台900t千斤顶借助L型加力架通过张拉55束钢绞线直接加载，横梁竖向力通过门式反力架用250t千斤顶加载，轴向力通过50 t千斤顶加载。具体静载试验加载情况如图3所示。 图3 静载试验加载方案静载试验加载过程如下：预加载：采用工况I的50设计荷载进行预加载及卸载3次，以消除非弹性变形。工况I：用设计荷载的20%为增量级，加载到设计荷载，然后卸载。工况II：用设计荷载的20%为增量级，加载到设计荷载；然后用设计荷载的7%为增量级，加载到设计荷载的1.7倍。静载试验过程中，在各级荷载作用下，持荷5min，进行应变测量。在工况I时，测量顶板加强板的位移。在设计索力及以上的荷载作用下，观察试件变形及焊缝是否异常或开裂，并对L型加力架进行监测。2.3 测试方案设计本试验采用电阻应变片测量试件应变，应变数据采集系统采用日本KYOWA公司生产的UCAM-70A高速应变仪。采用了滑线电阻式位移传感器及机械式百分表来进行位移测量。试验应变测点的布置基于试件受力特点，力求能通过测点数据反映结构的力学行为，同时能够有效捕捉到结构上的应力极值，并能大致了解结构应力分布规律及变化趋势。从有限元分析结果看，锚拉板式索梁锚固结构应力不利的位置在主焊缝两侧、主焊缝末端及锚拉筒与锚拉板焊接位置。基于上述原因，应变测点在这些位置布置较多，其它部位则做适当布置。另外，为分析主梁各板件索力分配情况，在梁段上选择7个断面进行研究。在这些研究断面的顶板、底板、腹板及加劲肋对应位置上布置应变测点。其中受力复杂的测点采用三轴应变花，受力简单的测点采用单轴应变片。锚拉板(N1)上64个测点，加劲板(N2、N3)上48个测点，锚拉筒N4上26个测点，加强板上40个测点，斜腹板上31个测点，横梁腹板上18个测点，普通顶板上20个测点，底板上28个测点，箱梁加劲肋共35个测点，整个模型共103个单片，207个应变花。图4给出了锚固结构具体应变测点布置。图4 锚固结构应变测点布置3 静载试验结果分析3.1 理论分析采用通用有限元软件ANSYS对湛江海湾大桥索梁锚固结构进行理论计算，有限元计算模型采用空间板壳元(Shell 181)建立，如图5所示，Shell 181单元在模拟薄壳及中等厚度的壳结构具有较高的精度。图5 有限元分析模型锚固结构按理想弹塑性材料计算，屈服强度取345MPa，屈服准则选用Von.Mises屈服准则。锚固结构各测点位置处，钢材常处于双向或三向的复杂应力状态下工作。钢材的屈服并不只取决于某一方向的应力，而是由反映各方向应力综合影响的某个“应力函数”即所谓“屈服条件”来确定的。根据材料强度理论的研究和试验验证，Von.Mises强度理论给出的屈服条件能够较好地阐明接近于理想弹-塑性体的钢材的弹塑性工作状况。其屈服条件为：Von.Mises应力mises即通常所称的折（换）算应力。理论计算表明，设计荷载作用下锚固结构处于弹性工作状态，锚拉板N1最大折算应力312.7MPa，出现在锚拉板与锚拉筒连接焊缝终止位置；锚拉筒N4最大折算应力217.7MPa，出现在锚拉板与锚拉筒连接焊缝终止位置；加劲板N2最大折算应力175.6MPa，加劲板N3最大折算应力180.9MPa，均出现在上部与锚拉板最大应力位置基本一致；加强板最大折算应力104.2Mpa，斜腹板最大折算应力131.6MPa，大致出现在锚拉板和加强板间连接焊缝与锚拉板中线相交位置。各板件上应力分布呈区域性特点，应力较大的区域集中，扩散较快，尤其是锚拉板和锚拉筒。3.2 试验结果分析根据试验所测应变可以得到锚固结构各测点位置处的主应力及折算应力，通过分析应力分布规律，对锚固结构承载能力进行评价。1.0倍设计荷载及1.7倍设计荷载作用下锚固结构各板件上最大折算应力（Von.Mises应力）实测值见表3。表中主应力项“”表示应力值超过材料屈服强度，Von.Mises应力项345.0并非真实应力值仅表示该测点已屈服。图6、图7分别给出了工况I及工况II加载过程中，各板件上测点的最大折算应力随荷载变化曲线。表3 锚固结构各板件上测点最大应力位置测点编号1.0倍设计荷载1.7倍设计荷载主应力Von.Mises应力主应力Von.Mises应力1212锚拉板(N1)A25248.25.3245.6-8.1345.0加劲板(N2)B14119.50.8119.1232.54.5230.3加劲板(N3)C10133.7-8.4138.1257.7-19.0267.7锚拉筒(N4)D14230.2-125.2312.3345.0加强板E18139.379.5121.0295.7193.7260.2斜腹板X04-36.2-113.1100.1-82.2-216.2189.0横梁腹板J0229.9-54.974.547.3-94.1124.7在1.0倍设计荷载作用下锚固结构处于弹性状态，锚拉板在与锚拉筒连接焊缝前端圆弧处出现较大应力，但这些点均属于局部区域的应力集中，锚拉板的中部主要承受拉应力，测试应力值在40100MPa之间；加劲板N2、N3上的应力分布呈两端小中间大，加劲板N2、N3应力均未超过150MPa；顶板加强板的整体应力水平较低，应力变化趋势为横向沿焊缝向两侧应力逐渐降低，锚拉板前端加强板应力大于锚拉板尾部的加强板应力；斜腹板整体应力水平较低，斜腹板与顶板焊连位置的测点换算应力在20MPa100MPa范围内；横梁腹板处受力极为复杂，与其相连接的有顶板、斜腹板和底板。横梁腹板在上述板件交汇处应力水平普遍在50MPa80MPa，从交汇点按辐射路径，测试应力值逐渐减小。在1.7倍设计荷载作用下，锚固结构的锚拉板在与锚拉筒达到屈服，锚拉板的A24、A25、A40、A41、A62均已屈服，形成了一定区域的屈服区。锚拉筒的D7、D8、D13、D14周围的屈服区不断增大。加劲板N2的B4B17的应力水平较高，均在200MPa以上，加劲板N3板C4C14应力水平较高，加劲板N2、N3以与锚拉板屈服点相邻位置为中心向两端头扩散形成了高应力区，高应力区长度大约为60cm，应力水平为200MPa250MPa。钢箱梁上的加强板、斜腹板及横梁腹板应力未超过200MPa；虽然锚固结构有测点折算应力超过材料屈服强度，但当这些测点屈服后，应力产生重分布，周围测点仍有一定安全储备，经超声波探伤检测，所有焊缝均未出现裂纹。图6 工况I测点应力随荷载变化图7 工况II测点应力随荷载变化由图6、图7测点折算应力随荷载变化曲线可以看出，在工况I（1.0倍设计荷载）加载过程中，所有测点应力随荷载基本呈线性变化，且卸载后基本恢复。在工况II（1.7倍设计荷载）加载过程中，锚拉板及锚拉筒上测点达到屈服，卸载后无法恢复，其他板件测点应力随荷载还大致呈线性变化，且卸载后也能基本恢复。4 结论通过对湛江海湾大桥锚拉板式索梁锚固结构理论分析及足尺模型试验，可以得出以下几点结论：（1）锚拉板式索梁锚固结构在结构形式、传力方式、施工制造、维修养护等方面都具有较多优势，但也存在一定的缺陷。理论计算和模型试验结果表明，锚拉板与锚拉筒的侧焊缝以及锚拉板与钢箱梁顶板的连接焊缝出现应力集中，是传力的关键部位；（2）在1.0倍设计荷载作用下，锚固结构处于弹性工作状态，各板件应力均低于材料屈服应力。在1.7倍设计荷载作用下，锚固结构锚拉板及锚拉筒上出现屈服区域，但仍具有较大的承载能力；（3）湛江海湾大桥锚拉板式索梁锚固结构中，锚拉板与顶板加强板连接可靠，索梁锚固结构的承载能力达到设计要求，并具有较大的安全储备。锚拉板式锚固结构设计合理，制造焊接工艺可靠；（4）锚拉板与锚拉筒的连接焊缝应力集中较为严重，特别在焊缝根部圆弧过渡区，初始屈服荷载较低；（5）在构造条件允许的情况下尽可能加大锚拉板与锚拉筒焊缝根部的（塑性区半径），这样可以有效改善锚拉板的应力分布。参考文献：1 李小珍, 蔡婧, 强士中. 大跨度钢箱梁斜拉桥索梁锚固结构型式的比较J. 工程力学, 2004, 21(6):84-90.Li Xiaozhen, Cai Jjing, Qiang Shizhong. Models of cable- girder anchorage for long-span cable-stayed bridges with steel box girder J. Engineering Mechanics, 2004, 21(6): 84-90. (In Chinese)2 侯文崎, 叶梅新. 结合梁斜拉桥锚拉板结构研究J. 钢结构, 2002, 17(2): 23-27.Hou Wenqi, Ye Meixin. Study of tensile anchor plate structure of composite cable-stayed bridgesJ. Steel Structures, 2002, 17(2): 23-27. (In Chinese)3 西南交通大学. 湛江海湾大桥索梁锚固结构静载试验研究报告R, 2005.Southwest Jiaotong Univesity. Static test report of cable-girder anchorage for Zhanjiang Bay bridgeR, Chengdu, 2005. (In Chinese)4 西南交通大学. 湛江海湾大桥索梁锚固结构疲劳试验研究报告R, 2005.Southwest Jiaotong Univesity. Fatigue test report of cable-girder anchorage for Zhanjiang Bay bridgeR, Chengdu, 2005. (In Chinese)5 严国敏. 现代斜拉桥M. 成都: 西南交通大学出版社,1995. 63-67.Yan Guomin. Modern cable-stayed bridgeM. Chengdu: Southwest Jiaotong University Press, 1995. 63-67. (In Chinese)6 西南交通大学土木工程学院. 南京长江二桥南汊大桥锚箱式索梁锚固结构模型静载试验报告R, 2000.School of Civil Engineering of Southwest Jiaotong Univesity. Static test report of cable-girder anchorage with anchor-box for the 2nd Nanjing Yangtze-river bridgeR, Chengdu, 2000. (In Chinese)7 刘庆宽, 王新敏, 强士中.南京长江二桥南汊桥索梁锚固足尺模型试验研究J.土木工程学报, 2001, 34(2):50-54.Liu Qingkunan, Wang