大跨径斜拉桥索梁锚固区钢锚箱受力性能及局部优化研究

对大跨径斜拉桥而言，索梁锚固区是结构形式与受力性能非常复杂的部位之一，索梁锚固结构需承担较大的集中荷载，因此易出现应力集中的现象。索梁锚固区在大跨斜拉桥设计、施工及监控测量阶段均是重点研究对象。因此有必要对索梁锚固区进行力学性能研究，了解其受力性能并基于分析结果进行局部优化。

1 工程概况

金沙江特大桥位于云南省昭通市巧家县境内，横跨金沙江水域，是G0613西丽高速项目连接香格里拉与丽江段的控制性工程。主桥为独塔双索面斜拉桥，塔墩梁固结体系，跨径布置为340m+72m+48m+32m。主梁边跨为预应力混凝土箱梁，中跨为PK断面钢箱梁，梁宽为32.3m；基础为钻孔灌注桩基础。3号墩索塔为钻石型，主塔总高度为197.6m。全桥有40根斜拉索，斜拉索采用PES（C）新型拉索体系，扇形布置，中跨钢箱梁上索距为16m，边跨混凝土箱梁段标准索距为8m。

由全桥数值模拟结果可知，金沙江特大桥斜拉索–钢箱梁锚固区拉索倾角最小、索力值最大，因此取该位置区域为研究对象。PK断面钢箱梁以顶板上缘线、底板上缘线为基准，轮廓高为3.5m，全宽32.3m（包括2m×2.5m锚索区和风嘴），顶面设2.0%的人字形横坡。钢箱梁由顶板、底板、内腹板、外腹板、横隔板（横梁）、风嘴、索锚箱等组成，斜拉索锚固于风嘴处的外腹板上。

2 有限元模型建立

基于Ansys有限元软件建立精细化数值模型，有限元模型如图1所示。主梁与锚固区采用Shell63单元模拟，锚垫板采用Shell181单元模拟，均采用壳单元模拟的原因是为了更精确反应钢箱梁薄壁特性。钢箱梁材料为Q345钢材。

（a）                                     （b）

图1 1/2 有限元模型示意

（a）整体模型；（b）锚固区局部模型

网格划分采取局部加密处理，钢锚箱位置网格精度为30mm，其余位置网格精度为50mm。钢箱梁模型尺寸大、精度要求高，联合考虑计算精度与速度，建立1/2模型，横桥向两端约束所有自由度，靠近索塔侧截面横向对称约束。斜拉索索力应视为外荷载施加于锚固区。GB50017—2017《钢结构设计标准》中规定应取最大索力值为外荷载，本工程中最大索力为5670kN，作为面荷载施加在锚垫板上。

3 模拟结果分析

3.1 拉索水平力及分配比例

斜拉索水平力主要由钢锚箱侧板及隔板等承担， 研究构件传力机制的前提是明确各部分承担拉索水平分力的比例，其也是指导斜拉桥设计关键因素之一。钢锚箱各构件承担水平分力值及承担比例见表1。

表1 各构件承担水平分力值及承担比例

由表1可知，斜拉索水平分力传递至钢锚箱时，主要由侧板及塔壁承担，横隔板承担比例仅为5%左右，主要原因是当塔壁刚度增加时，钢锚箱刚度几乎无变化，因此导致塔壁承担比例提升。

3.2 锚固区应力计算结果

拉索锚固区应力模拟结果如图2~图5所示。需注意的是计算时应忽略边界条件导致的应力集中现象。

图2 锚固区等效应力/MPa

图3 锚固区主应力/MPa

图4 锚固区横桥向应力/MPa

图5 锚固区纵桥向应力/MPa

由图2~图5可知，拉索锚固区最大主拉应力、最大压应力、横桥向最大拉应力与压应力分别为157MPa、–169.1MPa、165.5MPa与–113.8MPa，等效应力峰值为182MPa，锚固区最大应力出现的位置在锚垫板位置，可知锚垫板位置为最不利位置。另外，钢箱梁腹板与锚固区连接位置应力同样较高，需进行局部优化处理。

3.3 重要构件应力模拟结果

索梁锚固区构件结构形式和应力分布较为复杂， 无法仅通过锚固区整体应力结果明晰构件受力性能，为保证构件安全性能，应对主要受力构件的应力分布进行深层次研究。如图1所示，钢锚箱中主要受力构件包括N1–N7板件及上述锚固区应力计算结果中最不利位置，即锚垫板和钢箱梁腹板。各构件应力模拟结果见表2。

表2 钢锚箱主要受力构件应力模拟结果

由各构件应力模拟结果可知：（1）所有主要构件中等效应力最大为184.1MPa，为N1板，小于Q345钢材的屈服应力，因此N1板受力满足规范要求； （2）锚垫板最大等效应力为164.7MPa，其余构件受力也均满足规范要求；（3）由图2可知，钢锚箱中存在两处应力集中位置，分别为N1板的倒角位置及N1板与腹板连接位置，因此应对上述两处位置进行局部优化，减轻应力集中现象。

4 局部优化设计及对比

由模拟结果可知，钢锚箱受力复杂，虽主要受力构件受力状况满足规范要求，但部分构件应力值较大，且存在两处应力集中现象，分别为N1板的倒角位置及N1板与腹板连接位置。为减轻钢锚箱应力集中现象，对N1板结构形式进行优化设计。钢锚箱最大变形发生在锚垫板底部，在荷载与边界条件等不变的情况下，将N1板（抗剪板）向外延伸60cm（单向延伸），对比钢锚箱及主要受力构件的应力状态。

4.1 应力对比

4.1.1 锚固区局部应力对比

优化前，钢锚箱所有主要构件中等效应力最大为184.1MPa，为N1板；优化后钢锚箱所有主要构件中等效应力最大为142.6MPa，为钢箱梁腹板。优化后钢锚箱最大等效应力降低了22.5%。最大等效应力降低的同时，可发现局部应力集中现象有所减轻，应力集中区域减小，应力值降低。因此可认为：延伸抗剪板的尺寸可有效降低索梁锚固区等效应力峰值，改善应力分布状态，减轻应力集中现象。

4.1.2 主要受力板件应力对比

对优化前后主要传力板件与连接位置的等效应力峰值及最大主拉应力进行对比分析。 由分析结果可知，通过延伸抗剪板的尺寸对结构进行局部优化设计后，钢锚箱各构件在荷载作用下的等效应力峰值与最大主拉应力均有大幅降低，其中钢箱梁腹板应力降低最明显。应力分布状况也有相应改善，主要表现在优化后应力集中区域明显减小，结构应力分布较优化前更均匀，受力更合理。 因此可认为延伸抗剪板的尺寸的优化措施取得了良好的效果，可明显改善钢锚箱受力状况。

4.2 位移对比

由优化前后钢锚箱局部变形可知，优化前后锚固区最大变形分别为2.07mm与1.75mm，优化后锚固区最大变形减少15.6%左右。因此可认为延伸抗剪板的尺寸的优化措施可有效提高锚固区刚度，约束结构变形。

5 结论

以金沙江特大桥为背景，通过数值模拟手段研究了大跨斜拉桥索梁锚固区钢锚箱受力性能，并根据模拟结果提出局部优化措施，主要结论如下。

（1）钢锚箱在荷载作用下的等效应力峰值为184.1MPa，为N1板，小于Q345钢材的屈服应力，其余主要受力板件也均满足规范受力要求。

（2）钢锚箱中存在两处应力集中位置，分别为N1板的倒角位置及N1板与腹板连接位置，且应力水平较高，因此在实际工程中应对相应位置采取局部优化措施。

（3）延伸抗剪板的长度可有效提高局部刚度，优化后钢锚箱各构件在荷载作用下的等效应力峰值与最大主拉应力均有大幅降低，且应力集中区域明显减小。该优化方案可为同类工程提供参考。