南京長江二橋南汊主橋錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)試驗研究

1、南京長江二橋南汊主橋錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)試驗研究 時間:2003-11-01作者:劉慶寬出處:中國土木工程學會橋梁及結(jié)構(gòu)工程學會第十四屆年會論文集      南京長江二橋南汊主橋錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)試驗研究  劉慶寬 張強 陳偉慶 強士中  （西南交通大學橋梁與結(jié)構(gòu)工程系）【摘要】南京二橋南汊主橋的斜拉索與主梁錨固采用錨箱結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)板件連接復雜，受力集中，有必要掌握結(jié)構(gòu)及附件區(qū)域的應力大小及分布，文章通過模型試驗，對這一問題進行了研究，得出了一些有益的結(jié)論?！娟P(guān)鍵詞】斜拉橋 索梁錨固

2、錨箱 應力分析一、概述    南京長江二橋南汊斜拉橋的斜拉索與主箱梁的錨固采用錨箱式結(jié)構(gòu)，即在箱梁的邊腹板上順索向焊接錨箱，箱底板開一圓孔，斜拉索穿過錨箱共錨固在底板上（如圖1所示）。這種錨固結(jié)構(gòu)在國內(nèi)的大跨斜拉橋中是首次使用，國外可以借鑒的資料也不多。該結(jié)構(gòu)錨箱處板件較多，連接復雜，索力較大，是控制設計的關(guān)鍵部位，掌握斜拉索拉力通過錨箱，如何影響錨箱附近梁體中的應力分布是十分必要的。但該區(qū)域通過理論分析和計算都難于準確反映其真實的應力分布情況。為此針對南汊大橋錨箱式錨固結(jié)構(gòu)進行了靜載模型試驗。二、試驗目的    在最大斜拉索索力和1

3、.7倍最大索力作用在錨箱上時：    （1）研究錨箱處箱梁各板件，尤其是斜腹板的應力大小及分布情況；    （2）研究錨箱各板件的應力大小及分布情況；    （3）研究錨箱與鋼箱梁斜腹板連接的傳力途徑；    （4）研究錨箱各板件的連接可靠性；    （5）研究錨箱和腹板的連接可靠性；    （6）研究索梁錨固區(qū)域的承載能力及其在1.7倍最大索力作用下的安全儲備；    （7）檢驗錨箱式

4、索梁錨固結(jié)構(gòu)設計的合理性、安全性。三、試驗模型、加載方法和試驗荷載    本項研究試驗是為了得出斜拉索與主梁錨固的錨箱及其附近的應變和應力分布情況，為此對索梁錨固區(qū)域進行了細致的分析，找出盡可能反映實際設計橋梁在該區(qū)域應力分布情況的試驗結(jié)構(gòu)。根據(jù)試驗模型設計的一般原則和南京長江二橋南汊大橋設計圖紙以及西南交通大學工程結(jié)構(gòu)試驗中心的情況，由南京長江二橋建設指揮部、中交公路規(guī)劃設計院和西南交通    大學共同確定了試驗研究方案，錨箱式索梁錨固區(qū)域靜載試驗研究對象為1：1的試驗結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該試件是在實際設計橋梁的J20梁段錨箱區(qū)域取出

5、部分結(jié)構(gòu)，并在對應力分布沒有顯著影響的前提下做局部修改。試件與實際設計橋梁錨箱區(qū)域的差異是：頂板、底板的"U"形加勁肋變更為鋼板加勁肋。    試件由鐵道部寶雞橋梁廠制造。    模型主體鋼材為16Mnq鋼，底座（包括反力支座）及頂板上的吊鉤鋼材為16Mn鋼。    在焊接工藝方面，模型板件之間的定位焊用直徑為4的E5015焊條，無預熱；埋弧焊采用CO2氣體保護焊或手工電弧焊，底座部分用的焊條為1.2的ER50-6型，焊接位置為平角焊，錨箱部分用的焊條為5的E5015型，角焊縫抗拉、抗

6、壓、抗剪強度均為200MPa。焊接位置為平焊。    將斜拉索的拉力用兩個500t千斤頂對圓形墊板的壓力來代替，反力作用在模型底座的斜向墊板上。鋼箱梁的橋梁縱向軸力用模型上方的千斤頂?shù)南蛳峦屏泶妫戳ψ饔迷诩虞d剛架上。中交公路規(guī)劃設計院提供的最大設計索力為530t，軸向壓力為330t。根據(jù)試驗室具體情況，確定試驗荷載及工況情況見表1。    工況荷載值的4倍對應于最大設計索力作用時，J20索兩端主梁上的軸力和最大設計索力沿橋軸向的分力相互平衡的狀態(tài)。工況對應于1.7倍最大索力作用時，錨箱各構(gòu)件的應力分布及安全儲備。其中F2由于試驗

7、加載設備等情況限制，并未按實際比例加載到1.7倍軸向壓力（561t），而是加載到 127.6t。四、模型應力分析1.構(gòu)件最大應力分析     在分析中做以下假設：    （1）根據(jù)測得的應變值計算應力時，如果應力值低于鋼材的屈服強度，則應力值為計算值；如果高于屈服強度，則應力值為屈服強度。2）板件的強度由測得的最大應力控制。    表2和表3是各構(gòu)件的最大應力值數(shù)據(jù)。其中N4（外）表示錨箱外側(cè)的N4板，N4（內(nèi)）表示錨箱內(nèi)側(cè)N4板，N5（左）表示面對錨箱時，錨箱左側(cè)的三塊地板N5板，N5（右）表示錨箱右側(cè)

8、的三塊N5板。表中測點位置參照圖3。    根據(jù)公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設計規(guī)范（JTJ02586），16Mnq鋼的容許拉、壓應力均為200MPa，屈服強度為345MPa，由第四強度理論，等效應力不大于容許拉壓應力為強度條件，對上述各點進行判斷。工況I下，只有測點15的等效應力大于容許強度，為237.4MPa，其余各板件的最大應力值均小于容許強度。    在工況下，當荷載加至設計荷載的80，測點15的等效應力已經(jīng)達到202.6MPa，超過容許強度，其余各板件應力均未達到容許強度；荷載1.0倍設計荷載時，還是只有測點15的等效應力超過容許

9、強度，為2463MPa，且腹板上只有這一點超過容許強度。其余各板件的最大等效應力均小于容許強度。當荷載加至1.4倍設計荷載時，腹板上的6點、7點、8點、13點、15點、N3點板上62點均超過容許強度，最大值為腹板上的15測點，達到360MPa。當荷載加至1.7倍設計荷載時，模型上有大量的測點的等效應力值超過容許強度，其中腹板和N3板超出點較多。2應力的分布    模型構(gòu)件的等效應力分布如圖3圖7所示，括號中的數(shù)字表示測點編號，數(shù)字旁邊的標記為應變花（橫短線為應變片）的位置。16號應變花和116號應變片損壞。    參照圖3，腹板在豎斜

10、向（順錨箱軸線方向）的五排測點中，等效應力基本是在錨箱底板處的應力值最大，向兩側(cè)衰減，如圖8所示為腹板豎向左起第二排測點（測點6，7，8，9，10，11，12）的應力變化規(guī)律。橫坐標表示以測點6的位置為坐    標零點，向上各點離開測點6的距離，單位為mm；縱坐標表示各點的等效應力值，單位為MPa。峰值點（158MPa）為靠近錨箱底板的8號測點。圖9所示為腹板發(fā)向第三排測點（測點3，8，15，18，29）的應力變化規(guī)律，橫坐標表示一測點3的位置為坐標零點，向右各測點離開3點的距離（mm），豎坐標表示各測點的等效應力（MPa），峰值點（237MP）為靠近錨箱底部的1

11、5號測點。    在工況下，N3板各測點應力值均小于容許強度。最大等效應力為195MPa，位于板的側(cè)面上。正面上應力最大點為62點。除去62點外，其余各點應力分布比較均勻。從應力分布來看，加力圓環(huán)附近的測點應力值較高，其余各點的應力值較低。按性質(zhì)分析，N3板受力比較復雜，板內(nèi)既有彎曲應力，也有擠壓應力。    N4板在應力分布上，并無明顯規(guī)律。    N5板從應力分布來看，靠近底板處的應力較大，向上沿錨箱軸線方向降低。     N2板和N1板在應力分布上具有相似的規(guī)律，縱向三排測點都是靠近底板處的應力值大，沿錨箱軸線方向向上逐漸減小。    從以上分析可以看出，索力作用在N3板上，以壓應力的形式傳遞到N1和N2板，之后沿三塊板與腹板減的焊縫傳遞到腹板，并向四周衰減，傳力途徑流暢。五、結(jié)論    （1）模型腹板在錨箱底板外側(cè)區(qū)域的應力最大。在最大設計索力作用下，有應力超過材料屈服強度的點。由于受到邊界條件的影響，實橋應力值會低于測量值。錨箱各板和使隔板及縱向加勁肋的應力較腹板小，在最大索力作用下，沒有超過材料屈服強度