南京長(zhǎng)江二橋耳板式索梁錨固試驗(yàn)研究

南京長(zhǎng)江二橋耳板式索梁錨固試驗(yàn)研究

劉慶寬張強(qiáng)陳偉慶強(qiáng)士中

（西南交通大學(xué)橋梁與結(jié)構(gòu)工程系）【摘要】斜拉橋索梁錨固區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受力集中，是控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位。耳板式索梁錨固結(jié)構(gòu)是鋼箱梁索梁錨固的一種重要形式，使用這一結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問(wèn)題是掌握斜拉索與主梁錨固區(qū)域的應(yīng)力大小及分布。本文以南京長(zhǎng)江第二大橋南汊斜拉橋原耳板式索梁錨固結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)應(yīng)力狀態(tài)和傳力途徑，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和理論分析，得出了一些有益結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】斜拉橋索梁錨固耳板接觸應(yīng)力

一、概述

在索梁錨固區(qū)域，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受力集中，是控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位。掌握斜拉索的錨頭以及與鋼箱梁連接附近的應(yīng)力分布情況是十分重要的，然而目前的理論分析和計(jì)算能力都難于反映真實(shí)的應(yīng)力分布情況，為此，有必要進(jìn)行試驗(yàn)研究。

南京長(zhǎng)江第二大橋南汊斜拉橋的索梁錨固方案原設(shè)計(jì)采用耳板式結(jié)構(gòu)，即在箱梁的邊腹板上用高強(qiáng)螺栓固定上耳板，板上開(kāi)一圓孔，斜拉索通過(guò)銷(xiāo)子錨固在耳板的圓孔處。在受力方面，斜拉索的巨大索力通過(guò)銷(xiāo)子以接觸應(yīng)力的形式傳遞給耳板，并進(jìn)一步傳遞到腹板上。下面分別通過(guò)模型試驗(yàn)和有限元計(jì)算方法對(duì)該區(qū)域的應(yīng)力進(jìn)行研究，為設(shè)計(jì)、制造這一新型結(jié)構(gòu)提供試驗(yàn)依據(jù)和理論依據(jù)。

二、模型試驗(yàn)

1.試驗(yàn)?zāi)康?/p>

最大斜拉索索力作用下和1.7倍最大索力下兩種工況：研究斜拉索索力作用在耳板上時(shí)，耳板的應(yīng)力分布尤其是耳板孔周的應(yīng)力分布；研究耳板與鋼箱梁斜腹板連接的傳力途徑。

2.模型設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康模ㄟ^(guò)對(duì)索梁錨固區(qū)域進(jìn)行細(xì)致的分析，找出盡可能反映實(shí)際設(shè)計(jì)橋梁在該區(qū)域應(yīng)力分布情況的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)，在受力最大的J20號(hào)（江側(cè)20號(hào)）索與箱梁錨固處分割出部分結(jié)構(gòu)，該索與主梁夾角為26°。在對(duì)應(yīng)力分布不產(chǎn)生明顯影響的前提下作局部修改，根據(jù)相似條件，設(shè)計(jì)了1：2試驗(yàn)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

3.模型制作及加載方案

模型由鐵道部寶雞橋梁廠制造。焊接工藝盡可能與制造實(shí)橋的一致。耳板材料為0.7MnCrMoVR鋼，屈服強(qiáng)度為5l0MPa，

極限強(qiáng)度為630MPa。

由中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院提供的試驗(yàn)

節(jié)端荷載為：索力619.5t，兩端軸力分別是364.0t和-185.6t。由這個(gè)荷載值根據(jù)相似原理計(jì)算得1：2模型設(shè)計(jì)荷載見(jiàn)

表1，模型加載如圖2所示。耳板不受集中力，應(yīng)力不會(huì)有突變，因此實(shí)際最大應(yīng)力應(yīng)發(fā)生在最大值測(cè)點(diǎn)附近，且真實(shí)值應(yīng)比測(cè)點(diǎn)最大值大，從應(yīng)力增大的趨勢(shì)看，實(shí)際最大應(yīng)力應(yīng)發(fā)生在圓孔右上方26°角處的孔壁上。

（3）在圓孔下方螺栓上方，應(yīng)力分布相對(duì)均勻，規(guī)律為向遠(yuǎn)離圓孔方向遞減，至板的兩邊緣處減小為零。

（4）在耳板與腹板通過(guò)螺栓栓接的摩擦面上應(yīng)力分布規(guī)律為摩擦面周邊的應(yīng)力相對(duì)較大，中部相對(duì)較小。

（5）摩擦面上邊緣橫向每個(gè)螺栓孔處受力規(guī)律為向右水平方向遞增，縱向向下遞減。

（6）從外荷載變化的角度來(lái)分析耳板的應(yīng)力變化，得出在材料的線彈性范圍內(nèi)，耳板的應(yīng)力并不隨外荷載按比例地增長(zhǎng)，當(dāng)外荷載從1.0倍設(shè)計(jì)荷載增大到1.7倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，除去耳板右下角應(yīng)力增長(zhǎng)率大于1.7外，總體規(guī)律為應(yīng)力大的地方應(yīng)力增長(zhǎng)率大，接近或超過(guò)1.7，應(yīng)力小的地方應(yīng)力增長(zhǎng)率小于1.7。這種情況對(duì)耳板受力是不利的。

四、有限元計(jì)算

在橋的縱向取24m長(zhǎng)，包括6個(gè)節(jié)間的梁段，鑒于鋼箱梁和索關(guān)于橋軸對(duì)稱(chēng)，在橋的橫向取箱梁的一半，利用有限元計(jì)算程序ALGOR，采用板殼單元建立計(jì)算模型，運(yùn)行程序進(jìn)行計(jì)算。耳板的最大壓應(yīng)力等值線分布如圖5所示。

比較上圖和圖3可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力分布規(guī)律基本一致。捕捉圓孔旁邊單元格的節(jié)點(diǎn)，耳板上的最大應(yīng)力在圓孔右上方邊緣與水平線成26°角的部位，值為350MPa。因?yàn)橛?jì)算模型和試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪吔鐥l件有區(qū)別，因此兩者數(shù)值結(jié)果會(huì)有一定的差異。

五、結(jié)論

（1）耳板上最大壓應(yīng)力位于銷(xiāo)子與耳板沿索力方向相接觸的位置，耳板上沿索力方向一排測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力較大，向兩方衰減。試驗(yàn)測(cè)得最大壓應(yīng)力值為286MPa；耳板與腹板檢接的摩擦面上邊緣出應(yīng)力較大，中部應(yīng)力較?。欢迳蠎?yīng)力的增長(zhǎng)與荷載的增長(zhǎng)不成比例，應(yīng)力越大的地方應(yīng)力增長(zhǎng)越快。

（2）通過(guò)將試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果相比較，兩種方法得到的應(yīng)力大小及分布規(guī)律基本一致，說(shuō)明試驗(yàn)方案可行，試驗(yàn)結(jié)果可靠。

（3）在大跨徑斜拉橋中，耳板式錨團(tuán)結(jié)構(gòu)的耳板銷(xiāo)孔在銷(xiāo)軸的擠壓下產(chǎn)生巨大的局部應(yīng)力，其抗壓強(qiáng)度不易滿足設(shè)計(jì)要求，如果采用這種錨