悬索桥柔性中央扣锚固系统对比研究.doc

文章编号：悬索桥柔性中央扣锚固系统对比研究曹永睿，柴增铧（北京建达道桥咨询有限公司，北京 100015）摘要：本文以某在建的大跨径钢桁梁悬索桥为例，对比研究了柔性中央扣系统的构造和设置方法，并基于大型通用有限元分析程序ANSYS对锚箱式和耳板式两种中央扣斜拉索梁端锚固系统进行了空间有限元分析，研究了锚固系统的传力机理及应力分布情况，取得了一些有价值的结果，为今后在同类悬索桥上设置柔性中央扣时提供了有意义的参考。关键词：大跨径钢桁梁悬索桥；柔性中央扣；梁端索梁锚固系统；有限元分析中图分类号：U448.22 文献标识码：AThe compared study of flexible central buckles anchorage system of suspension bridge with steel trussed girderCAO Yongrui1, XXX2(1. Beijing JianDa Road&Birdge Consultant Co. , Ltd. , Beijing 100015, China;2. Research Institute of Highway, Ministry of Transport, Beijing 100088, China)Abstract：This paper taking an under-construction long span suspension bridge with steel trussed girder as an example, the structure and institution method of the flexible central buckles are studied and compared. Then based on the FEM analysis of the anchor-box and auricular anchor plate cable-girder anchorage system with ANSYS, the stress distribution and stress transferring mechanism of the cable anchorage system are analyzed. Some useful conclusions are obtained and it is beneficial to the design of the flexible central buckles of the suspension bridge with steel trussed girder.Keywords：steel truss girder suspension bridge；flexible central buckles；dynamic behavior；cable-girder anchorage system；finite element analysis0 引言收稿日期：2013-01-24作者简介：曹永睿（1981-），男，河南濮阳人，工程师，主要从事桥梁结构设计研究（）现代悬索桥是由主缆和加劲梁构成的一种柔性悬挂体系，因具有跨越能力大、结构造型优美等优点而成为大跨度桥梁的首选。悬索桥是以主缆受拉为主要承重构件的柔性缆索桥梁结构，加劲梁自重，二期恒载、活载均通过悬吊系统传递至主缆，最终全部荷载由主塔传给基础。悬索桥结构在活载、制动力和风荷载的作用下，加劲梁与主缆之间纵桥向、横桥向会产生相对位移，吊索出现倾斜和局部弯曲；特别在主跨跨中位置吊索最短，受其影响最大。分析表明，悬索桥跨中设置中央扣可有效地提高全桥刚度，减小加劲梁的纵向位移，增大整体的自振频率，并可部分改善跨中位置吊索的弯折和疲劳问题1。索梁锚固结构是一个结构传力复杂、局部应力大、应力集中效应明显、易出现疲劳和强度破坏的区域2，必须采用空间有限元的方法对其进行局部受力分析，以获得系统中各个板件的应力分布情况和规律。锚箱式和耳板式索梁锚固系统在传统钢箱梁斜拉桥上已有大量应用，有限元仿真分析和模型试验结果共同验证了这两种索梁锚固结构传力可靠性和构造合理性35。目前这两种索梁锚固系统如何在钢桁架悬索桥柔性中央扣设置及受力性能如何还鲜有文献报道。本文对比研究了柔性中央扣系统的构造和设置方法，并基于大型通用有限元分析程序ANSYS对锚箱式和耳板式这两种中央扣斜拉索梁端锚固系统进行了空间有限元分析，详细研究了锚固系统的传力机理及应力分布情况，取得了一些有价值的结果，为今后在同类悬索桥上设置柔性中央扣时提供了有意义的参考。1 工程背景该大桥为主跨1480m的双塔双跨钢桁加劲梁悬索桥，主缆分跨为460m+1480m+491m，主缆矢跨比为110，主缆横桥向间距为35.4m，吊索顺桥向间距为16.8m。主桥总体立面图如图1所示，主桥横断面布置图如图2所示。主梁为考虑板桁共同作用的板桁结合钢桁加劲梁。钢桁梁由主桁架、主横桁架和下平联和钢桥面系组成，主桁节点采用焊接整体节点板技术；主桁架的桁高为9m，标准节间长为16.8m，两片主桁架左右弦杆中心间距与主缆间距相同均为35.4m；主桁架为带竖腹杆的华伦式结构，由上弦杆、下弦杆、竖腹杆和斜腹杆组成；主横桁架采用单层桁架结构，由上横梁、下横梁、外侧斜腹杆、竖腹杆和内侧斜腹杆组成；下平联采用K形体系。钢桥面系采用正交异性桥面，由桥面板、U形加劲肋、纵向板肋、桥面横梁、桥面横肋和工字形纵梁组成。主缆采用预制平行钢丝索股(PPWS)，小边跨和主跨由175股、大边跨由181股，每股127根直径为5.35mm、公称抗拉强度为1860MPa的高强度镀锌钢丝组成。吊索分为两类，一类是直径为68mm、公称抗拉强度为1870MPa的钢丝绳，结构形式为841WS+IWR；另一类是直径为88mm、公称抗拉强度为1960MPa的钢丝绳，结构形式为855SWS+IWR。吊索与索夹为骑跨式连接，与钢桁梁为销铰式连接。索塔采用门式框架塔，索塔单塔柱下设40根D280桩基础。两岸锚碇均为地连墙基础重力式锚。起点侧索塔处加劲梁设横向抗风支座，终点侧索塔及锚碇处设竖向支座和横向抗风支座。图1 主桥总体立面图（单位：m）Fig.1 General elevation drawing of the main bridge (unit: m) 图2 主梁横断面布置图（单位：mm）Fig.2 The cross setion of the girder (unit: mm)2 柔性中央扣设置方法及梁端锚固方式研究中央扣自从1950年在Tacoma新桥上使用以来,发展形成了3种设置方式:（1）用刚性三角桁架将主缆与加劲梁联结，使缆、梁在跨中处相对固定,即刚性中央扣;（2）在跨中加设1对或多对斜吊索来建立缆梁纵向约束，即柔性中央扣；（3）将主缆直接与加劲梁相联结。润扬长江大桥在中国首次采用刚性中央扣6，四渡河大桥也采用了刚性中央扣7；坝陵河大桥首次采用了柔性中央扣，矮寨大桥也采用了柔性中央扣。 本桥考虑在每根主缆跨中设5个钢丝绳柔性中央扣，对称布置于跨中中间吊索两侧。柔性中央扣主要包括三部分：中央扣拉索系统、主缆中央扣索夹系统和加劲梁锚固系统。中央扣拉索系统采用直径为88mm、公称抗拉强度为1960MPa钢丝绳，结构形式为855SWS+IWR；索夹处为骑跨式连接，加劲梁处为承压式热铸锚头；锚头由锚杯和螺母组成，锚杯内浇铸锌铜合金，使钢丝绳与锚杯相连，调节螺母可以消除制造、安装误差，材料采用35CrMo合金钢(图1图2)。主缆中央扣索夹系统采用左右对合的结构形式，左、右两半索夹用螺杆紧箍于主缆上，接缝处嵌填入橡胶防水条，索夹上另外加设两个能套挂短斜索的由凸肋条形成的凹槽；中央扣索夹设计长为3.38m，壁厚为45mm，材料为ZG20Mn的低合金钢铸件；索夹上下安装25个高强螺杆，提供足够的紧箍力，防止在纵向荷载作用下主缆和索夹间的相对滑移。图3 方案 中央扣斜拉索构造Fig .3 Scheme : Structure of central buckles cable 图4 方案梁端中央扣节点构造（单位：mm）Fig.4 Scheme I: Structure of central buckles cable-girder anchorage joint plate (unit: mm)本文对比研究了两种柔性中央扣梁端锚固系统的设置方案。方案考虑在梁端设置锚箱式（承压式）锚固系统，该方案中央扣构造如图3图4所示。该方案锚固系统由上弦杆腹板向上扩展出的整体节点板，和上下锚固扳、垫板、前后承压板及其加劲肋沿中央扣拉索轴向焊接而成，垫板与后承压板间采用螺栓连接；同时两侧腹板间对应承压板和锚固板位置焊接斜向加劲板。中央扣斜拉索索力通过该梁端锚固系统逐步传递到整个主桁架结构。方案在梁端考虑设置耳板式（销铰式）锚固系统，该方案中央扣构造如图5图6所示。该锚固系统由上弦杆腹板向上扩展出的整体节点板形成的耳板和主桁架上弦杆腹板间的两块横向加劲肋焊接而成；在锚固耳板上开有销孔，在销孔两侧设置了两块贴板对耳板销孔处进行加强。中央扣斜拉索索力通过下端的叉形吊耳传递给销铰连接件，销铰连接件传又递给锚固耳板，之后通过上弦杆腹板逐步将索力传递到整个主桁架结构。图5 方案中央扣斜拉索构造Fig .5 Scheme : Structure of central buckles cable图6 方案梁端中央扣节点构造（单位：mm）Fig.6 Scheme: Structure of central buckles cable-girder anchorage joint plate (unit: mm)3 中央扣梁端锚固系统局部受力分析中央扣梁段锚固构造复杂，本文采用通用有限元程序ANSYS进行最不利工况空间有限元细部分析。为充分考虑中央扣受力情况，同时对比两种锚固系统的受力性能，计算时选择总体计算中央扣斜拉索的最大内力工况，得到中央扣单根斜拉索的最大索力为1250KN，两种计算模型均以此索力为外荷载施加到模型上。局部分析时选取跨中附近两对中央扣交汇位置的钢桁梁加劲梁段为研究对象。为了减小边界条件对计算模型的影响，根据圣唯南原理和加劲梁结构的对称性，在沿桥纵向取16.8m长的梁段为研究对象，即从中央扣中心线沿桥跨方向两侧钢桁梁8.4m一个节间，模型的两端位于相邻节间的吊索中心，不考虑模型端部吊索的影响；横向取至桥面跨度一半处，竖向取整个钢桁梁结构。建模时将整个结构视为匀质弹性体，钢桁梁及钢锚箱材料选用Q345qD结构钢，各向同性材料，弹性模量取为210103MPa，泊松比取为0.3，密度取为7850kg/m3。考虑到所取的主梁节段足够长，局部分析模型的边界条件为：纵桥向模型两端截面上所有节点固结；横桥向在主梁节段模型的横向桥面宽度一半处截面上施加对称约束。3.1 锚箱式梁端锚固系统局部受力分析锚箱式锚固系统中斜拉索锚头锚圈紧压在垫板上，垫板又与后承压板间螺栓栓结在一起，这三者之间是一种不焊接但紧压密贴关系，这给有限元建模带来了一定的困难。目前对这种连接方式的处理共有3种方法：等效板厚法8 9、非线性接触单元方法、实体单元加非线性接触单元等。鉴于接触问题是一种高度非线性行为，对计算资源要求很大，且受到目前计算理论认识的限制而不方便应用。中央扣在施加了很大的索力之后，承压板与锚垫板的摩擦力很大，不易产生相对滑动，并且两者协调受弯，因而属小挠度、小转动问题。因此，锚箱承压板与锚垫板之间的接触非线性问题可近似采用等效板厚法处理10。该方法法理论简单便于操作，更适用于初步设计时选型和初算。等效板厚法是将锚垫板与承压板共同的抗弯刚度等效成一块板的抗弯刚度，即在建立计算模型时定义一块等效板来替代锚垫板和承压板。建模时钢桁梁各弦杆和正交异形桥面板均用ANSYS程序中的4节点弹性壳Shell63单元进行模拟；考虑到承压板叠加上垫板厚度等效计算后的板厚较大，该板用8节点弹性壳单元shell93模拟，该单元基于厚壳理论并可考虑剪切变形的影响。分析时严格按照实际设计结构中各板件及相应加劲位置和尺寸建模，计算模型共计51341个节点和53472个单元，该方案有限元计算模型如图5图7所示。加载时考虑垫板的应力扩散作用，按15的扩散角度为将锚圈传来的索力作为面荷载施加在承压板上扩大后的承压圆环面上。图7方案整体几何模型Fig.7 Scheme : Global geometrical model图8方案中央扣节点局部有限元模型Fig.8 Scheme : Partial FEA model of central buckles joint plate图9方案中央扣局部有限元模型Fig.9 Scheme : Partial FEA model of central buckles 最大索力作用下中央扣锚固区的Mises应力图如图10所示。由图可以看出，中央扣锚固区的承压板在与锚固板横向两个短加劲肋交接处由于连接刚度变化较大出现了应力集中，同时承压板内部圆孔外侧由于无加劲板支撑也出现了很小范围的应力集中，最大Mises应力为370.9MPa。模型中其余高应力区出现在承压板外侧无加劲支撑的中间位置。中央扣上下锚固板应力不大，保持在150MPa水平，该板对承压板起到了有效的支撑作用。腹板内侧间承压板位置对应加劲板应力较小，提高了腹板的横向整体刚度和稳定性。因承压板和锚固板与节点板焊缝较长，因此节点板上应力并不高。图10方案中央扣Mises应力（单位：MPa）Fig.10 Scheme : Mises stress of central buckles3.2 耳板式中央扣梁端锚固系统局部受力分析斜拉索索力通过销铰系统直接传递到耳板上，再通过节点板传递给整个钢桁梁。销铰连接的受力情况比较复杂，销轴主要受剪、受弯以及承压；耳板孔壁承压，孔侧、孔端截面受拉，切面上的拉应力和压应力分布很不均匀，大部分区域处于双向应力状态，因此对这种锚固系统必须进行空间有限元局部分析。该方案计算时除中央扣斜拉索锚固构造做适当改变外其余采用与方案I 完全一致的计算模型，考虑到耳板销孔两侧焊有贴板进行加固，因此此贴板区域用ANSYS中的8节点弹性厚壳单元shell93模拟。为简化分析，加载时假定索力通过销轴均匀施加在耳板销孔斜拉索方向上部半圆环上。计算模型共计50471个节点和51733个单元，有限元计算模型如图11图13所示。图11方案整体几何模型Fig.11 Scheme : Global geometrical model图12方案中央扣节点局部有限元模型Fig.12 Scheme : Partial FEA model of central buckles joint plate图13方案中央扣局部有限元模型Fig.13 Scheme : Partial FEA model of central buckles 图14方案中央扣Mises应力（单位：MPa）Fig.14 Scheme : Mises stress of central buckles方案中央扣耳板Mises应力分布如图 14所示。由图上可以看出在沿索力方向与销轴接触的孔壁附近出现了小范围的应力集中，最大Mises应力为237.1 MPa。由于销轴对孔壁的挤压,形成巨大的局部压力，因此耳板销孔前半周的应力最大。远离销孔侧的节点板上应力分布较均匀，应力扩散很快，应力数值均在130MPa以下，说明耳板两侧贴板对销孔起到了很好的加强作用。节点板上的应力在耳板周边位置处，特别在耳板前后边缘处明显比其他地方处大；同时，耳板后面部分的应力要比耳板前面部分的应力大。耳板内两块加劲板应力数值并不大，说明加劲板并不是主要的传力构件，仅起到在横向保持节点板稳定的作用。4 结论本文结合某在建的大跨径钢桁梁悬索桥上的柔性中央扣为研究对象，对比研究了柔性中央扣的构造组成情况和两种锚固方式的设置方法和传力机理，并采用空间有限元方法建立了两种锚固方式的梁端中央扣锚固系统局部受力计算模型，分析了锚固区的应力分布和应力集中现象。根据以上对比分析可以得出如下结论：1、锚箱式锚固系统构造复杂，板件数量较多，对各板件焊缝及尺寸加工精度要求较高。此种锚固方式由于受结构空间限制在外侧无腹板加劲支撑的跨中位置有薄弱区存在，应力水平较高，焊缝位置处应力集中明显，不利于应力扩散。锚箱式锚固系统在钢桁架悬索桥上应用整体式小节点板技术时无法发挥其结构刚度大、整体受力好的优点。2、耳板式锚固系统构造简洁，制造加工容易，安装维护方便，易于后期更换。耳板式锚固系统锚固区应力在耳板销孔附近很小范围内数值较大，在耳板销孔两侧设置贴板对其进行加强后，销孔外其余位置应力扩散很快，应力传递流畅。另外销铰接头带有自润滑轴承，可减小斜拉索的弯折改善斜拉索的工作条件。在进行钢桁梁悬索桥柔性中央扣梁端锚固方式设计选型时，可优先考虑采取在梁端采取耳板式锚固系统。此种锚固系统构造简单，后期检修维护方便，相比锚箱式系统更适合在索力不太大又受结构安装空间限制的钢桁梁悬索桥上使用。参考文献：Reference：1 高剑，刘高，曾宇贵州坝陵河钢桁架悬索桥中央扣设计C中国公路学会桥梁和结构工程分会2007年全国桥梁学术会议论文集北京：人民交通出版社，2007：101-106 GAO Jian，LIU Gao，ZENG YuDesign of central buckles of a steel trusseded suspension bridge over Guizhou Baling River C Proceedings of the national conference on bridge engineeringBeijing：China Communications Press，2005：101-1062 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研究J土木工程学报，2001，37(3)：73-79LI Xiaozhen，Cai Jing，QIANG ShizhongStudies on models of cable-girder anchorage for 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