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钢牛腿支承锚梁型索塔锚固结构传力机理分析

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第35卷,第5期201中国4年9月CHINA道RAILWAY铁科学V01.35No.5SCIENCESeptember,2014文章编号:lOOl一4632(2014)05一0019-05钢牛腿支承锚梁型索塔锚固结构传力机理分析郑双杰,刘玉擎(同济大学桥梁工程系,上海200092)摘要:运用通用分析软件Ansys,采用三维弹簧单元模拟焊钉连接件的作用,考虑两端固定、两端滑动及一端固定一端滑动3种钢锚梁端部支承形式,对钢牛腿支承锚梁型索塔锚固区端壁板连接件在锚固区自重、斜拉索力、混凝土收缩、塔壁El照温差和内外温差等作用下的传力机理进行分析。研究表明:钢牛腿支承锚梁型索塔锚固区端壁板连接件的受力分布极不均匀,其中作用于牛腿顶面附近连接件的拉拔力最大,约为30kN;钢锚梁端部支承形式对连接件剪力分布的影响不超过7%,对拉拔力分布的影响约为100;斜拉索力、混凝土收缩对连接件拉拔力和剪力分布的影响约占总作用力的80%。关键词:斜拉桥;组合桥;索塔锚固区;钢锚梁;钢牛腿;连接件;传力机理中图分类号:U448.27;U448.38文献标识码:Adoi:10.3969/j.issru1001—4632.2014.05.04钢锚梁组合索塔锚固结构是将钢锚梁沿纵桥向置于混凝土索塔内壁牛腿上的斜拉索塔端锚固结构[1]。该锚固形式主要由钢锚梁承担水平索力,混凝土塔壁承担竖向索力,在发挥钢材良好抗拉性能的同时又减小了混凝土塔壁承受的拉应力,改善了索塔锚固区混凝土的抗裂性能,特别适合应用于大跨度斜拉桥。依据钢锚梁的两端支承形式,可分为混凝土牛腿支承锚梁型和钢牛腿支承锚梁型2种组合索塔锚固结构,如图1所示,其中,混凝土牛腿从索塔内壁凸出且与塔壁浇筑成一体;而钢牛腿则通过端部钢壁板背面的焊钉连接件与塔壁结合。加拿大1986年建成Annaeis桥,在塔壁内侧混凝土牛腿上设置钢锚梁以承担水平索力,改善了索塔锚固区受力性能[2]。国内自1991年上海南浦大桥起,后续多座斜拉桥也采用了混凝土牛腿支承锚梁型索塔锚固形式[3]。由于混凝土牛腿受力较复杂且塔壁凸出,不利于滑模施工,因此舟山金塘大桥在索塔锚固区改用端部设置钢壁板的钢牛腿,钢壁板通过连接件与混凝土塔壁结合从而改善牛腿受力,同时作为塔壁内模也方便滑模施工[引。2010年建成的荆岳长江大桥[5]、在建的九江长江大桥和望东长江大桥等均在索塔锚固区采用了钢牛腿支承锚梁型索塔锚固形式。收稿日期:2013—09—10;修订日期:2014—07—23基金项目:交通运输部重大科技专题项目(2011318494160)作者简介:郑双杰(1985一),男,福建厦门人,博士研究生。(b)钢牛腿支承型壁牛腿图1钢锚梁索塔锚固结构形式钢牛腿支承锚梁型索塔锚固区的传力机理与钢万方数据20中国铁道科学第35卷锚箱型索塔锚固区睁7]较为接近,而前者的锚梁端部约束相对较柔,钢与混凝土结合面刚度变化大,传力机理更为复杂。既有设计通常基于平截面假定,采用平面框架法分析钢锚梁与混凝土塔壁的受力,较少考虑钢与混凝土之间的滑移及拉拔效应,对结合部传力机理研究不足。为此本文运用通用分析软件Ansys,采用三维弹簧单元模拟焊钉连接件的作用,对某实桥钢锚梁锚固区进行混合有限元分析;比较分析钢锚梁端部支承形式分别为两端固定、两端滑动及一端固定一端滑动时,在锚固区自重、斜拉索力、混凝土收缩、塔壁日照温差和内外温差等作用下结合部连接件的传力机理。拟钢锚梁及钢牛腿,弹性模量为206GPa、泊松比为0.3。采用实体单元Solid45模拟混凝土塔壁,弹性模量为34.5GPa、泊松比为0.2。采用弹簧单元Combinl4模拟焊钉连接件滑移与拉拔三维效应,依据文献E8],结合面内沿塔竖向、横向的抗剪刚度均为400kN・mm一、面外抗拉拔刚度为250kN・mrn~。采用接触单元Contal73与Targel70模拟钢与混凝土结合面承压作用,依据文献[9],忽略黏结摩擦。1钢牛腿型索塔锚固区构造图2为某实桥的钢牛腿型索塔锚固区构造。索塔锚固区标准节段高2.3m,底部节段高3.5m。◆罨≮皇≯工,,、<三一fal锚固区几何模型塔壁混凝土端塔壁宽7.0m、厚1.0m,侧塔壁宽8.8m、厚0.8m。斜拉索锚固在钢锚梁两端的锚头上,钢锚梁由端部的钢牛腿支承,钢牛腿则通过钢壁板背面的焊钉连接件与混凝土塔壁结合,所有钢壁板在各节段交界处上下分离。钢壁板宽2.3厚30mm。单板平均配置约326根4,22m、mm×200mm的焊钉连接件,按横行竖列等间距布置。各列焊钉沿塔横向间距为200mm,各行焊钉沿塔竖向间距为120mm。醺兰、矜瀛接触面焊钉连接件接触面钢牛腿fb)结合部单元离散图3钢牛腿型索塔锚固区有限元模型钢锚梁两端支承在钢牛腿顶面座板上,设有3种梁端约束形式,即两端固定、两端滑动或一端固定且一端滑动(以下简称一固一滑)。模型边界条件为锚固区底部固结、顶部自由。计算荷载包括锚固区自重、运营阶段斜拉索力、混凝土收缩、塔壁日照温差和内外温差等。其中,斜拉索力等效为均布面荷载施加在钢锚梁的锚垫板上,单根索最大索力为6390kN;依据文献[10],混凝土收缩等效为塔壁降温15℃,塔壁日照温差考虑单侧的侧塔图2钢牛腿型索塔锚固区构造壁升温5℃、内外温差考虑内塔壁升温10℃。2索塔锚固区有限元模型图3为采用Ansys软件建立的钢牛腿型索塔锚固区混合有限元模型。采用板壳单元Shell63模3锚固区端壁板连接件传力机理3.1不同梁端约束情况下连接件的受力表1为钢锚梁采用不同梁端约束形式时各荷载万方数据第5期钢牛腿支承锚梁型索塔锚固结构传力机理分析作用下的焊钉连接件受力。由表1可得以下结论。(1)对于各种梁端约束形式,斜拉索力和混凝土收缩单独作用下的焊钉连接件最大拉拔力分别约为30和7kN,两者合计约占总拉拔力的80oA;而锚固区自重、塔壁日照温差和内外温差单独作用的影响不超过11%。钢锚梁的梁端约束形式对斜拉索力作用下的焊钉连接件拉拔力影响较大,两端滑动时的最大拉拔力比两端固定、一固一滑时分别增大约10%和5%。连接件平均分担的竖向索力为15.4kN,约是焊钉连接件最大竖向剪力的17%。两端固定、两端滑动及一固一滑时,其余各荷载作用下的焊钉连接件最大竖向剪力的差别小于3%,这表明梁端约束形式对焊钉连接件竖向剪力的影响很小。(3)混凝土收缩和斜拉索力作用下焊钉连接件的最大横向剪力分别约为40和25kN,约占横向总剪力的50%和30%,即二者占80%。两端固定、两端滑动及一固一滑时,其余各荷载作用下的焊钉连接件最大横向剪力的差别不超过7%,这表明梁端约束形式对焊钉连接件横向剪力的影响不大。kN(2)斜拉索力和混凝土收缩作用下的焊钉连接件的竖向剪力分别约为90和45kN,约占竖向总剪力的55%和28%,即二者约占80%。单根焊钉表1不同梁端约束情况下焊钉连接件的受力3.2端壁板连接件拉拔力分布节段钢锚梁受力较大的单列及单行焊钉连接件的拉拔力沿塔竖向及横向的分布。由图4可知,斜拉索力作用下焊钉连接件拉拔力最大,在节段内沿塔竖向呈双峰波浪形分布。这是因为竖向索力偏心使钢牛腿承受上拉下压的局部弯矩,牛腿顶部附近的端壁板直接受拉,底部区域的端壁板则由于各道支撑板集中受压,在支撑板间的局部与塔壁趋于分离;焊钉连接件拉拔力沿塔横向呈凸形分布,同一高度焊钉连接件拉拔力的最小值及平均值分别约为最大值的40%及80%。自重等其他荷载作用下的焊钉图4为钢锚梁两端滑动时、各荷载作用下,底4030重蠢20轺10023塔竖向坐标/m(a)塔竖向40连接件拉拔力较小。3.3端壁板连接件竖向剪力分布图5为钢锚梁两端滑动时各荷载作用下的焊钉连接件竖向剪力分布。由图5可知:斜拉索力与混凝土收缩作用下焊钉连接件竖向剪力较大,沿塔竖向接近三次抛物线分布,上下两端剪力较大且方向相反,中问部分剪力较小且存在剪力零点,这是由塔壁累加竖向压力引起的;焊钉连接件竖向剪力沿塔横向分布较不平均,同一高度焊钉连接件竖向剪30堇蚕20掣1001.5—1.O0.5O.00.51.01.5力的平均值约为最大值的90%;锚固区自重、塔壁日照温差及内外温差作用下焊钉连接件竖向剪力较小。塔横向坐标,m(b)塔横向图4焊钉连接件拉拔力分布万方数据22中国铁道科学第35卷塔竖向坐标/m(a)塔竖向蕈R容塔横向坐标/m(b)塔横向塔横向坐标/m(b)塔横向图5焊钉连接件竖向剪力分布图6焊钉连接件横向剪力分布3.4端壁板连接件横向剪力分布图6为钢锚梁两端滑动时各荷载作用下的焊钉连接件横向剪力分布。由图6可知:混凝土收缩作用下焊钉连接件横向剪力最大,在牛腿顶部存在约40kN的峰值,这是因为座板横向刚度大,对塔壁约束作用较强;在牛腿底部由于斜拉索孔道削弱而减小至约20kN;受拉索横向倾角影响,斜拉索力作用下焊钉连接件横向剪力最大值约为25kN;焊钉连接件横向剪力沿塔横向接近反对称分布,左右两侧剪力较大而中间较小;锚固区自重、塔壁日照温差及内外温差作用下焊钉连接件横向剪力较小。别出现在节段上下两端和左右两侧,牛腿顶面附近作用约30kN的最大拉拔力。同一高度焊钉连接件的最大剪力及拉拔力分别比平均值增大约10%和20%。(2)钢锚梁节段单根焊钉连接件平均分担的竖向索力为15.4kN,约为节段内焊钉连接件最大竖向剪力的17%,焊钉连接件剪力沿塔竖向及横向的分布极不均匀。(3)钢锚梁端部支承约束形式对端壁板焊钉连接件沿塔竖向及横向剪力分布的影响不超过7%,对焊钉连接件拉拔力分布的影响较大,滑动端最大拉拔力比固定端增大约10%。(4)在斜拉索力和混凝土收缩作用下钢牛腿支承锚梁型索塔锚固区端壁板处焊钉连接件的拉拔力和剪力约占总作用力的80%,而锚固区自重、塔壁日照温差和内外温差的作用约为20%。文献4结论(1)钢牛腿支承锚梁型索塔锚固区各节段端壁板上焊钉连接件受到的最大竖向剪力、横向剪力分参考[1]张喜刚,刘玉擎.组合索塔锚固结构EM].北京:人民交通出版社,2010.[2]TAYLORanPR,SELSTAM,HODGEWE,eta1.Anl2acisCable-StayedBridge-DesignforEarthquakeEJ-I.Canadi—JournalofCivilEngineering,1985,12(3):472—482.万方数据第5期[3][4]钢牛腿支承锚梁型索塔锚固结构传力机理分析林元培.南浦大桥与扬浦大桥[J].土木工程学报,1995,28(6):3—10.(LINYuanpeLNanpuBridgeandYangpu23Bridge[J].JournalofCivilEngineering,1995,28(6):3-10.inChinese)史方华,白雨东.金塘大桥主通航孔桥设计特点[J].公路,2009(1):106—110.(SHIFanghua,BAInese)Yudong.t)eSignoftheMainSpanofJintangBridge[J].Highway,2009(1):106—110.inChi—[5]丁望星,姜友生.荆岳长江公路大桥设计[J].桥梁建设,2011(4):57—61。(DINGWangxing,JIANGYousheng.DesignofJingyueChangjiangRiverHighwayBridge[J].BridgeConstruction,2011(4):57—61.inChinese)[6]陈开利。钢锚箱索塔锚固区受力机理[J].中国铁道科学,2008,29(4):58-64.(CHENKaili.MechanicalMechaniSilloftheSteelAnchorHousingintheAnehorageZonesoftheCableChinsRailwayScience,2008,29(4):58—64.inChinese)Pylons[J].[7]张宁宁,胨志坚,陈元俊.基于小波多尺度的索塔锚固区变形特征提取[J].振动与冲击,2012,31(8):102—106.(ZHANGNingning,CHENZhijian,CHENVuanjtill.DeformationFeaturesonExtractionforaCable-TowerAnchorageBridgeZone[8][9]BasedWaveletMulti-Scale[J].JournalofVibrationandShock,2012,31(8):102—106.inChinese)xUED,LIUY,YUZ,eta1.StaticBehaviorofMulti-StudShearConnectorsforSteel-ConcreteComposite[J].JournalofConstructionalSteelResearch,2012,74;1-7.王倩,刘玉擎.焊钉连接件抗剪承载力试验研究[J].同济大学学报:自然科学版,2013,41(5):659-663.(WANGQian,LIUYuqing.ExperimentalStudyofShearCapacityofStudsity:NaturalScience,2013,41(5):659—663.inChinese)Connector[J].JournalofTongjiUniver-D03中华人民共和国交通运输部.J1、G/TD65-01--2007公路斜拉桥设计细则[s].北京:人民交通出版社,2007.AnalysisofLoadTransferMechanismofCable-TowerAnchoragewithSteelBracketSupportedAnchorBeamZHENG(DepartmentAbstract:BasedendboardsofofthestudaonShuangjie,LIUYuqing200092,China)ofBridgeEngineering,T0119iiUniversity,ShanghaigeneralanalysissoftwareAnsys,the10adtransfermechanismoftheconnectorsonthecable-toweranchoragewithsteelbracketsupportedanchorbeamwasanalyzed.Theeffectsimulatedbyusing3-dimensionalspringelements.Theendconstraintsofsteelconnectorwasanchorbeamswerechangedamongfixed-fixed,slidable-slidableandfixed-slidable.Theapplied10adsin—cludedthedeadweightofanchoragezone,cableforce,concreteshrinkageandthetemperaturedifferencescausedbysunlightorbetweeninnerandconnectorsonoutertowerwalls.Theresultsshowthattheloadeffectsdistributeunevenlyamongtheendboardsofcable-towercompositeanchoragewithsteelnearbracketsupportedanchorbeams.Theconnectorsthetopofsteelbracketsbearthemaximumupliftforceofabout30kN.Theendconstraintsofsteelanchorbeamsaffectthedistributionofconnector’Sshearforcebylessthan7%andthatofandconcreteconnector’Supliftforcebyabout10%.Thecontributionsofcableforceconnectors.shrinkageaccountforabout80%ofthetotalupliftforceandshearforceofKeywords:Cablestayedbridge;Compositebridge;Cable-toweranchoragezone;Steelanchorbeam;Steelbracket;Connector;Loadtransfermechanism(责任编辑吴彬)万方数据钢牛腿支承锚梁型索塔锚固结构传力机理分析

作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):

郑双杰, 刘玉擎, ZHENG Shuangjie, LIU Yuqing同济大学桥梁工程系,上海,200092中国铁道科学

China Railway Science2014,35(5)

学 2014(5)

引用本文格式:郑双杰.刘玉擎.ZHENG Shuangjie.LIU Yuqing 钢牛腿支承锚梁型索塔锚固结构传力机理分析[期刊论文]-中国铁道科

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