南京长江二桥南汊主桥锚箱式索梁锚固结构试验研究

一、概述
　　南京长江二桥南汊斜拉桥的斜拉索与主箱梁的锚固采用锚箱式结构，即在箱梁的边腹板上顺索向焊接锚箱，箱底板开一圆孔，斜拉索穿过锚箱共锚固在底板上（如图1所示）。这种锚固结构在国内的大跨斜拉桥中是首次使用，国外可以借鉴的资料也不多。该结构锚箱处板件较多，连接复杂，索力较大，是控制设计的关键部位，掌握斜拉索拉力通过锚箱，如何影响锚箱附近梁体中的应力分布是十分必要的。但该区域通过理论分析和计算都难于准确反映其真实的应力分布情况。为此．针对南汊大桥锚箱式锚固结构进行了静载模型试验。



　　 二、试验目的
　　在最大斜拉索索力和1.7倍最大索力作用在锚箱上时：
　　（1）研究锚箱处箱梁各板件，尤其是斜腹板的应力大小及分布情况；
　　（2）研究锚箱各板件的应力大小及分布情况；
　　（3）研究锚箱与钢箱梁斜腹板连接的传力途径；
　　（4）研究锚箱各板件的连接可靠性；
　　（5）研究锚箱和腹板的连接可靠性；
　　（6）研究索梁锚固区域的承载能力及其在1.7倍最大索力作用下的安全储备；
　　（7）检验锚箱式索梁锚固结构设计的合理性、安全性。
　　 三、试验模型、加载方法和试验荷载
　　本项研究试验是为了得出斜拉索与主梁锚固的锚箱及其附近的应变和应力分布情况，为此对索梁锚固区域进行了细致的分析，找出尽可能反映实际设计桥梁在该区域应力分布情况的试验结构。根据试验模型设计的一般原则和南京长江二桥南汊大桥设计以及西南交通大学工程结构试验中心的情况，由南京长江二桥建设指挥部、中交公路规划设计院和西南交通大学共同确定了试验研究，锚箱式索梁锚固区域静载试验研究对象为1：1的试验结构，如图2所示。该试件是在实际设计桥梁的J20梁段锚箱区域取出部分结构，并在对应力分布没有显著影响的前提下做局部修改。试件与实际设计桥梁锚箱区域的差异是：顶板、底板的"U"形加劲肋变更为钢板加劲肋。

试件由铁道部宝鸡桥梁厂制造。模型主体钢材为16Mnq钢，底座（包括反力支座）及顶板上的吊钩钢材为16Mn钢。
　　在焊接工艺方面，模型板件之间的定位焊用直径为φ4的E5015焊条，无预热；埋弧焊采用CO2气体保护焊或手工电弧焊，底座部分用的焊条为φ1.2的ER50-6型，焊接位置为平角焊，锚箱部分用的焊条为φ5的E5015型，角焊缝抗拉、抗压、抗剪强度均为200MPa。焊接位置为平焊。
　　将斜拉索的拉力用两个500t千斤顶对圆形垫板的压力来代替，反力作用在模型底座的斜向垫板上。钢箱梁的桥梁纵向轴力用模型上方的千斤顶的向下推力来代替，反力作用在加载刚架上。
　　中交公路规划设计院提供的最大设计索力为530t，轴向压力为330t。根据试验室具体情况，确定试验荷载及工况情况见表1。


　　工况Ⅰ荷载值的4倍对应于最大设计索力作用时，J20索两端主梁上的轴力和最大设计索力沿桥轴向的分力相互平衡的状态。工况Ⅱ对应于1.7倍最大索力作用时，锚箱各构件的应力分布及安全储备。其中F2由于试验加载设备等情况限制，并未按实际比例加载到1.7倍轴向压力（561t），而是加载到 127.6t。
　　 四、模型应力分析
　　 1.构件最大应力分析
　　在分析中做以下假设：
　　（1）根据测得的应变值计算应力时，如果应力值低于钢材的屈服强度，则应力值为计算值；如果高于屈服强度，则应力值为屈服强度。
　　（2）板件的强度由测得的最大应力控制。
　　表2和表3是各构件的最大应力值数据。其中N4（外）表示锚箱外侧的N4板，N4（内）表示锚箱内侧N4板，N5（左）表示面对锚箱时，锚箱左侧的三块地板N5板，N5（右）表示锚箱右侧的三块N5板。表中测点位置参照图3。

根据《公路桥涵钢结构及木结构设计》（JTJ025－86），16Mnq钢的容许拉、压应力均为200MPa，屈服强度为345MPa，由第四强度理论，等效应力不大于容许拉压应力为强度条件，对上述各点进行判断。
　　工况I下，只有测点15的等效应力大于容许强度，为237.4MPa，其余各板件的最大应力值均小于容许强度。
　　在工况Ⅱ下，当荷载加至设计荷载的80％，测点15的等效应力已经达到202.6MPa，超过容许强度，其余各板件应力均未达到容许强度；荷载1.0倍设计荷载时，还是只有测点15的等效应力超过容许强度，为246．3MPa，且腹板上只有这一点超过容许强度。其余各板件的最大等效应力均小于容许强度。当荷载加至1.4倍设计荷载时，腹板上的6点、7点、8点、13点、15点、N3点板上62点均超过容许强度，最大值为腹板上的15测点，达到360MPa。当荷载加至1.7倍设计荷载时，模型上有大量的测点的等效应力值超过容许强度，其中腹板和N3板超出点较多。
　　 2．应力的分布
　　模型构件的等效应力分布如图3～图7所示，括号中的数字表示测点编号，数字旁边的标记为应变花（横短线为应变片）的位置。16号应变花和116号应变片损坏。


　　参照图3，腹板在竖斜向（顺锚箱轴线方向）的五排测点中，等效应力基本是在锚箱底板处的应力值最大，向两侧衰减，如图8所示为腹板竖向左起第二排测点（测点6，7，8，9，10，11，12）的应力变化规律。横坐标表示以测点6的位置为坐
　　标零点，向上各点离开测点6的距离，单位为mm；纵坐标表示各点的等效应力值，单位为MPa。峰值点（158MPa）为靠近锚箱底板的8号测点。图9所示为腹板发向第三排测点（测点3，8，15，18，29）的应力变化规律，横坐标表示一测点3的位置为坐标零点，向右各测点离开3点的距离（mm），竖坐标表示各测点的等效应力（MPa），峰值点（237MP）为靠近锚箱底部的15号测点。

在工况Ⅰ下，N3板各测点应力值均小于容许强度。最大等效应力为195MPa，位于板的侧面上。正面上应力最大点为62点。除去62点外，其余各点应力分布比较均匀。从应力分布来看，加力圆环附近的测点应力值较高，其余各点的应力值较低。按性质分析，N3板受力比较复杂，板内既有弯曲应力，也有挤压应力。
　　 N4板在应力分布上，并无明显规律。
　　 N5板从应力分布来看，靠近底板处的应力较大，向上沿锚箱轴线方向降低。
　　 N2板和N1板在应力分布上具有相似的规律，纵向三排测点都是靠近底板处的应力值大，沿锚箱轴线方向向上逐渐减小。
　　从以上分析可以看出，索力作用在N3板上，以压应力的形式传递到N1和N2板，之后沿三块板与腹板减的焊缝传递到腹板，并向四周衰减，传力途径流畅。


　　 五、结论
　　（1）模型腹板在锚箱底板外侧区域的应力最大。在最大设计索力作用下，有应力超过材料屈服强度的点。由于受到边界条件的影响，实桥应力值会低于测量值。锚箱各板和使隔板及纵向加劲肋的应力较腹板小，在最大索力作用下，没有超过材料屈服强度的测点。
　　（2）锚箱及腹板上的应力均在N3板附近取得最大值，并沿锚箱轴线方向和横向衰减。
　　（3）整个结构传力途径明确，应力传递流畅。
　　（4）如果在斜拉桥中采用这种结构，应注意处理好锚箱底板处的强度和连接。

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