【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(fù)雜，受力集中，有必要掌握結(jié)構(gòu)及附件區(qū)域的應(yīng)力大小及分布，文章通過(guò)模型試驗(yàn)，對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了研究，得出了一些有益的結(jié)論。
【關(guān)鍵詞】斜拉橋
索梁錨固 錨箱 應(yīng)力分析
一、概述
南京長(zhǎng)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?biāo)飨蚝附渝^箱，箱底板開(kāi)一圓孔，斜拉索穿過(guò)錨箱共錨固在底板上（如圖1所示）。這種錨固結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)的大跨斜拉橋中是首次使用，國(guó)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(fù)雜，索力較大，是控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位，掌握斜拉索拉力通過(guò)錨箱，如何影響錨箱附近梁體中的應(yīng)力分布是十分必要的。但該區(qū)域通過(guò)理論分析和計(jì)算都難于準(zhǔn)確反映其真實(shí)的應(yīng)力分布情況。為此．針對(duì)南汊大橋錨箱式錨固結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜載模型試驗(yàn)。
二、試驗(yàn)?zāi)康?/B>
在最大斜拉索索力和1.7倍最大索力作用在錨箱上時(shí)：
（1）研究錨箱處箱梁各板件，尤其是斜腹板的應(yīng)力大小及分布情況；
（2）研究錨箱各板件的應(yīng)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(chǔ)備；
（7）檢驗(yàn)錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、安全性。
三、試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒓虞d方法和試驗(yàn)荷載
本項(xiàng)研究試驗(yàn)是為了得出斜拉索與主梁錨固的錨箱及其附近的應(yīng)變和應(yīng)力分布情況，為此對(duì)索梁錨固區(qū)域進(jìn)行了細(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)。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)的一般原則和南京長(zhǎng)江二橋南汊大橋設(shè)計(jì)圖紙以及西南交通大學(xué)工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中心的情況，由南京長(zhǎng)江二橋建設(shè)指揮部、中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院和西南交通
大學(xué)共同確定了試驗(yàn)研究方案，錨箱式索梁錨固區(qū)域靜載試驗(yàn)研究對(duì)象為1：1的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該試件是在實(shí)際設(shè)計(jì)橋梁的J20梁段錨箱區(qū)域取出部分結(jié)構(gòu)，并在對(duì)應(yīng)力分布沒(méi)有顯著影響的前提下做局部修改。試件與實(shí)際設(shè)計(jì)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φ4的E5015焊條，無(wú)預(yù)熱；埋弧焊采用CO2氣體保護(hù)焊或手工電弧焊，底座部分用的焊條為φ1.2的ER50-6型，焊接位置為平角焊，錨箱部分用的焊條為φ5的E5015型，角焊縫抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度均為200MPa。焊接位置為平焊。
將斜拉索的拉力用兩個(gè)500t千斤頂對(duì)圓形墊板的壓力來(lái)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?lái)代替，反力作用在加載剛架上。
中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院提供的最大設(shè)計(jì)索力為530t，軸向壓力為330t。根據(jù)試驗(yàn)室具體情況，確定試驗(yàn)荷載及工況情況見(jiàn)表1。
工況Ⅰ荷載值的4倍對(duì)應(yīng)于最大設(shè)計(jì)索力作用時(shí)，J20索兩端主梁上的軸力和最大設(shè)計(jì)索力沿橋軸向的分力相互平衡的狀態(tài)。工況Ⅱ?qū)?yīng)于1.7倍最大索力作用時(shí)，錨箱各構(gòu)件的應(yīng)力分布及安全儲(chǔ)備。其中F2由于試驗(yàn)加載設(shè)備等情況限制，并未按實(shí)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(yīng)力分析
1.構(gòu)件最大應(yīng)力分析
在分析中做以下假設(shè)：
（1）根據(jù)測(cè)得的應(yīng)變值計(jì)算應(yīng)力時(shí)，如果應(yīng)力值低于鋼材的屈服強(qiáng)度，則應(yīng)力值為計(jì)算值；如果高于屈服強(qiáng)度，則應(yīng)力值為屈服強(qiáng)度。
（2）板件的強(qiáng)度由測(cè)得的最大應(yīng)力控制。
表2和表3是各構(gòu)件的最大應(yīng)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(duì)錨箱時(shí)，錨箱左側(cè)的三塊地板N5板，N5（右）表示錨箱右側(cè)的三塊N5板。表中測(cè)點(diǎn)位置參照?qǐng)D3。
根據(jù)《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ025－86），16Mnq鋼的容許拉、壓應(yīng)力均為200MPa，屈服強(qiáng)度為345MPa，由第四強(qiáng)度理論，等效應(yīng)力不大于容許拉壓應(yīng)力為強(qiáng)度條件，對(duì)上述各點(diǎn)進(jìn)行判斷。
工況I下，只有測(cè)點(diǎn)15的等效應(yīng)力大于容許強(qiáng)度，為237.4MPa，其余各板件的最大應(yīng)力值均小于容許強(qiáng)度。
在工況Ⅱ下，當(dāng)荷載加至設(shè)計(jì)荷載的80％，測(cè)點(diǎn)15的等效應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到202.6MPa，超過(guò)容許強(qiáng)度，其余各板件應(yīng)力均未達(dá)到容許強(qiáng)度；荷載1.0倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，還是只有測(cè)點(diǎn)15的等效應(yīng)力超過(guò)容許強(qiáng)度，為246．3MPa，且腹板上只有這一點(diǎn)超過(guò)容許強(qiáng)度。其余各板件的最大等效應(yīng)力均小于容許強(qiáng)度。當(dāng)荷載加至1.4倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，腹板上的6點(diǎn)、7點(diǎn)、8點(diǎn)、13點(diǎn)、15點(diǎn)、N3點(diǎn)板上62點(diǎn)均超過(guò)容許強(qiáng)度，最大值為腹板上的15測(cè)點(diǎn)，達(dá)到360MPa。當(dāng)荷載加至1.7倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，模型上有大量的測(cè)點(diǎn)的等效應(yīng)力值超過(guò)容許強(qiáng)度，其中腹板和N3板超出點(diǎn)較多。
2．應(yīng)力的分布
模型構(gòu)件的等效應(yīng)力分布如圖3～圖7所示，括號(hào)中的數(shù)字表示測(cè)點(diǎn)編號(hào)，數(shù)字旁邊的標(biāo)記為應(yīng)變花（橫短線為應(yīng)變片）的位置。16號(hào)應(yīng)變花和116號(hào)應(yīng)變片損壞。
參照?qǐng)D3，腹板在豎斜向（順錨箱軸線方向）的五排測(cè)點(diǎn)中，等效應(yīng)力基本是在錨箱底板處的應(yīng)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(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)6，7，8，9，10，11，12）的應(yīng)力變化規(guī)律。橫坐標(biāo)表示以測(cè)點(diǎn)6的位置為坐
標(biāo)零點(diǎn)，向上各點(diǎn)離開(kāi)測(cè)點(diǎn)6的距離，單位為mm；縱坐標(biāo)表示各點(diǎn)的等效應(yīng)力值，單位為MPa。峰值點(diǎn)（158MPa）為靠近錨箱底板的8號(hào)測(cè)點(diǎn)。圖9所示為腹板發(fā)向第三排測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)3，8，15，18，29）的應(yīng)力變化規(guī)律，橫坐標(biāo)表示一測(cè)點(diǎn)3的位置為坐標(biāo)零點(diǎn)，向右各測(cè)點(diǎn)離開(kāi)3點(diǎn)的距離（mm），豎坐標(biāo)表示各測(cè)點(diǎn)的等效應(yīng)力（MPa），峰值點(diǎn)（237MP）為靠近錨箱底部的15號(hào)測(cè)點(diǎn)。
在工況Ⅰ下，N3板各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值均小于容許強(qiáng)度。最大等效應(yīng)力為195MPa，位于板的側(cè)面上。正面上應(yīng)力最大點(diǎn)為62點(diǎn)。除去62點(diǎn)外，其余各點(diǎn)應(yīng)力分布比較均勻。從應(yīng)力分布來(lái)看，加力圓環(huán)附近的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值較高，其余各點(diǎn)的應(yīng)力值較低。按性質(zhì)分析，N3板受力比較復(fù)雜，板內(nèi)既有彎曲應(yīng)力，也有擠壓應(yīng)力。
N4板在應(yīng)力分布上，并無(wú)明顯規(guī)律。
N5板從應(yīng)力分布來(lái)看，靠近底板處的應(yīng)力較大，向上沿錨箱軸線方向降低。
N2板和N1板在應(yīng)力分布上具有相似的規(guī)律，縱向三排測(cè)點(diǎn)都是靠近底板處的應(yīng)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(yīng)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(yīng)力最大。在最大設(shè)計(jì)索力作用下，有應(yīng)力超過(guò)材料屈服強(qiáng)度的點(diǎn)。由于受到邊界條件的影響，實(shí)橋應(yīng)力值會(huì)低于測(cè)量值。錨箱各板和使隔板及縱向加勁肋的應(yīng)力較腹板小，在最大索力作用下，沒(méi)有超過(guò)材料屈服強(qiáng)度的測(cè)點(diǎn)。
（2）錨箱及腹板上的應(yīng)力均在N3板附近取得最大值，并沿錨箱軸線方向和橫向衰減。
（3）整個(gè)結(jié)構(gòu)傳力途徑明確，應(yīng)力傳遞流暢。
（4）如果在斜拉橋中采用這種結(jié)構(gòu)，應(yīng)注意處理好錨箱底板處的強(qiáng)度和連接。
參考文獻(xiàn)
［1］ 林元培.斜拉橋.北京：人民交通出版社，1994
