南京長江二橋耳板式索梁錨固試驗研究

南京長江二橋耳板式索梁錨固試驗研究

劉慶寬張強陳偉慶強士中

（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)為研究對象，對應(yīng)力狀態(tài)和傳力途徑，進行了結(jié)構(gòu)試驗和理論分析，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算能力都難于反映真實的應(yīng)力分布情況，為此，有必要進行試驗研究。

南京長江第二大橋南汊斜拉橋的索梁錨固方案原設(shè)計采用耳板式結(jié)構(gòu)，即在箱梁的邊腹板上用高強螺栓固定上耳板，板上開一圓孔，斜拉索通過銷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銷子以接觸應(yīng)力的形式傳遞給耳板，并進一步傳遞到腹板上。下面分別通過模型試驗和有限元計算方法對該區(qū)域的應(yīng)力進行研究，為設(shè)計、制造這一新型結(jié)構(gòu)提供試驗依據(jù)和理論依據(jù)。

二、模型試驗

1.試驗?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，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

根據(jù)試驗?zāi)康?，通過對索梁錨固區(qū)域進行細(xì)致的分析，找出盡可能反映實際設(shè)計橋梁在該區(qū)域應(yīng)力分布情況的試驗結(jié)構(gòu)，在受力最大的J20號（江側(cè)20號）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)計了1：2試驗結(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橋的一致。耳板材料為0.7MnCrMoVR鋼，屈服強度為5l0MPa，

極限強度為630MPa。

由中交公路規(guī)劃設(shè)計院提供的試驗

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

表1，模型加載如圖2所示。耳板不受集中力，應(yīng)力不會有突變，因此實際最大應(yīng)力應(yīng)發(fā)生在最大值測點附近，且真實值應(yīng)比測點最大值大，從應(yīng)力增大的趨勢看，實際最大應(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)力相對較大，中部相對較小。

（5）摩擦面上邊緣橫向每個螺栓孔處受力規(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，當(dāng)外荷載從1.0倍設(shè)計荷載增大到1.7倍設(shè)計荷載時，除去耳板右下角應(yīng)力增長率大于1.7外，總體規(guī)律為應(yīng)力大的地方應(yīng)力增長率大，接近或超過1.7，應(yīng)力小的地方應(yīng)力增長率小于1.7。這種情況對耳板受力是不利的。

四、有限元計算

在橋的縱向取24m長，包括6個節(jié)間的梁段，鑒于鋼箱梁和索關(guān)于橋軸對稱，在橋的橫向取箱梁的一半，利用有限元計算程序ALGOR，采用板殼單元建立計算模型，運行程序進行計算。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，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。因為計算模型和試驗?zāi)Ｐ偷倪吔鐥l件有區(qū)別，因此兩者數(shù)值結(jié)果會有一定的差異。

五、結(jié)論

（1）耳板上最大壓應(yīng)力位于銷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點的應(yīng)力較大，向兩方衰減。試驗測得最大壓應(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??；耳板上應(yīng)力的增長與荷載的增長不成比例，應(yīng)力越大的地方應(yīng)力增長越快。

（2）通過將試驗結(jié)果與有限元計算結(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，說明試驗方案可行，試驗結(jié)果可靠。

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