奇龍大橋主梁空間鋼錨箱參數(shù)化設(shè)計(jì)及受力分析
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王猛
[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海200092]
摘要：奇龍大橋?yàn)楠?dú)塔空間雙索面混合梁斜拉橋，因拉索角度空間變化等因素的影響，主梁鋼錨箱的設(shè)計(jì)變得極其復(fù)雜，設(shè)計(jì)工作量非常大。通過轉(zhuǎn)換整體坐標(biāo)系，編制相關(guān)板件的參數(shù)方程，將構(gòu)造復(fù)雜的空間鋼錨箱實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，極大減少工作量，提高設(shè)計(jì)精度，又通過選取典型鋼錨箱建立有限元模型進(jìn)行受力分析，明確鋼錨箱各主要板件的傳力途徑及各主要板件的受力情況。
關(guān)鍵詞：斜拉橋；空間鋼錨箱；參數(shù)化設(shè)計(jì)；有限元分析
中圖分類號(hào)：U448.27 文章編號(hào)：1004-4655( 2016) 02-0021-03
奇龍大橋是廣東省佛山市魁奇路東延線二期工程的重要節(jié)點(diǎn)，跨越東平水道，采用獨(dú)塔空間雙索面混合梁斜拉橋。其跨徑組合為66 m+69 m+260 m=395 m，橋?qū)?0.5 m。奇龍大橋總體布置圖如圖1所示。斜拉橋采用獨(dú)塔雙索面結(jié)構(gòu)，主塔造型為菱形，主梁為混合式箱形梁。其中：主跨采用鋼箱梁，邊跨采用混凝土梁，鋼混結(jié)合段設(shè)在主跨距離主塔15 m處。拉索采用空間雙索面布置，全橋共40對(duì)、80根斜拉索，拉索水平傾角230~ 740。斜拉索與鋼箱梁之間采用懸臂式鋼錨箱，全焊接的連接方式。根據(jù)拉索與主梁夾角以及拉索大小的不同，將主梁20對(duì)鋼錨箱劃分為M1、M2、M3和M4 4種類型。
1鋼錨箱的特殊性
主梁鋼錨箱主要由錨墊板M1、承壓板M2以及2塊錨固板M3、M4組成。錨固板上下各有3條加勁助M6，錨固板之間設(shè)有2塊大的加勁板M5，分別在錨管的兩側(cè)。腹板在箱梁內(nèi)側(cè)與錨箱對(duì)應(yīng)的位置設(shè)有加勁肋板。鋼錨箱構(gòu)造如圖2所示。
由于主塔造型為菱形，拉索與鋼主梁的錨固夾角除受拉索沿順橋向錨固影響外，還受主塔在索塔錨固位置處橫向傾斜的影響，即每個(gè)拉索在主梁錨同處的空間呈3D變化。另外，主梁錨固處拉索在橫橋向投影角度為6.6950~ 8.0460。為使斜拉索索力更好地傳遞到主梁外腹板上，設(shè)計(jì)時(shí)盡量減小拉索平面與主梁外腹板夾角，將主梁外腹板向主梁中心方向傾斜7.50。再考慮拉索角度空間變化、主梁外腹板傾斜及主橋縱坡的變化，使主梁鋼錨箱的設(shè)計(jì)變得極其復(fù)雜，設(shè)計(jì)工作量非常大。
2鋼錨箱參數(shù)化設(shè)計(jì)
奇龍大橋鋼主梁共設(shè)置20對(duì)鋼錨箱，為提高鋼錨箱各主要板件設(shè)計(jì)的精度、減小工作量，主梁鋼錨箱采用參數(shù)化設(shè)計(jì)，將要素歸類并變成某個(gè)函數(shù)的變量，設(shè)計(jì)函數(shù)變量間的關(guān)系，通過改變函數(shù)變量的不同取值得到不同的函數(shù)結(jié)果。
2.1參數(shù)化設(shè)計(jì)思路
鋼主梁錨箱參數(shù)化設(shè)計(jì)分2個(gè)模塊。模塊一：坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。假定拉索在主梁上的理論錨固點(diǎn)是固定的（見圖3），拉索與主梁橋面板的交點(diǎn)，即拉索出梁點(diǎn)位置應(yīng)考慮主梁縱坡變化的影響。另外，由于主梁腹板傾斜角為拉索橫橋向傾斜投影角度的平均值，即每個(gè)錨箱的錨墊板與腹板并非垂直，2塊錨固板也為異形。綜上，若要利用拉索的坐標(biāo)參數(shù)描述鋼錨箱在主梁相對(duì)位置及主要板件異形尺寸，需將計(jì)算得到主梁錨同點(diǎn)處的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為主梁縱坡和腹板傾斜影響的坐標(biāo)系統(tǒng)。模塊二：錨箱相對(duì)位置及主要錨固板件尺寸計(jì)算。根據(jù)
模塊一轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系統(tǒng)后的坐標(biāo)參數(shù)及投影角度，計(jì)算拉索梁點(diǎn)位置及鋼錨箱主要板件尺寸。
2.2主要實(shí)現(xiàn)過程及成果
1)模塊一，坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的具體實(shí)現(xiàn)過程如下。
(1)步驟一：將拉索在總體坐標(biāo)系（見圖4）下的各平面投影夾角轉(zhuǎn)換到以錨固處主梁實(shí)際縱坡為水平面坐標(biāo)系統(tǒng)下的各平面投影夾角，即將坐標(biāo)系統(tǒng)繞y軸（橫橋向）旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)，并通過公式轉(zhuǎn)換得到拉索在新的坐標(biāo)系統(tǒng)下的各投影坐標(biāo)（見圖5）。
夾角轉(zhuǎn)換公式見式(1)~式(4)。
(2)步驟二：將拉索在操作步驟一后得到的坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)的角度投影到腹板平面內(nèi)，即將坐標(biāo)系統(tǒng)繞X軸（橋面板順橋向）旋轉(zhuǎn)，通過公式轉(zhuǎn)換得到拉索在新的坐標(biāo)系統(tǒng)下的各投影坐標(biāo)（見圖6）。
夾角轉(zhuǎn)換公式見式(5)~式(8)。
2)模塊二，拉索出梁點(diǎn)位置及鋼錨箱主要板件尺寸的具體實(shí)現(xiàn)過程如下。
(1)步驟一：計(jì)算拉索出梁點(diǎn)相對(duì)坐標(biāo)，即為拉索中心到理論錨固點(diǎn)在主梁平面的投影位置。由于理論錨固點(diǎn)到頂板和外腹板的距離為定值，故不同鋼錨箱出梁點(diǎn)的相對(duì)位置只與拉索在“縱坡坐標(biāo)系統(tǒng)”內(nèi)的投影角度有關(guān)。以M2～M4錨箱為例，通過EXCE1將上述參數(shù)作為變量并編制公式即可得到不同鋼錨箱相對(duì)出梁點(diǎn)坐標(biāo)及部分加勁板尺寸數(shù)據(jù)。其計(jì)算結(jié)果如表1所示。
(2)步驟二：鋼錨箱主要板件尺寸參數(shù)化設(shè)計(jì)。由錨箱構(gòu)造示意圖及設(shè)計(jì)假定可知，錨墊板、錨固板、索管長度及加勁板等尺寸的變化部分均可通過拉索在各轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系內(nèi)的投影角度、公式計(jì)算得到。以26～28拉索為例，其主要板件參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2、3所示。
3錨箱受力分析
本項(xiàng)目主梁鋼錨箱錨固板件較多，焊縫交錯(cuò)，荷載作用下局部應(yīng)力較大、傳力復(fù)雜，因此需建立有限元模型進(jìn)行受力分析，以驗(yàn)證錨箱各板件傳力是否流暢，厚度取值是否合理。
3.1建立模型
3,2主要板件應(yīng)力結(jié)果
通過對(duì)鋼錨箱及腹板的計(jì)算分析后，得到如下結(jié)論。
1)作為錨箱從錨墊板到腹板的主要傳力板件，M3和M4加勁板的Mises最大應(yīng)力為160 M Pa。加勁板端部與錨墊板接觸的位置最大，與腹板連接側(cè)沿著遠(yuǎn)離錨墊板的方向?yàn)橹饾u減小。
2) M5加勁板在與錨墊板接觸的位置應(yīng)力水平較高，沿著錨管傳力方向逐漸減小，即加勁板將端部壓力均勻連續(xù)傳遞到M3、M4上。
3) Ml、M2板等效部分應(yīng)力水平不高，即拉索力較為均勻擴(kuò)散到其后的加勁板上。Ml板與腹板交接處存在最大為199 M Pa的應(yīng)力集中，但考慮錨墊板不是主要傳力構(gòu)件，且應(yīng)力重疊后應(yīng)力水平下降，但是可以接受，鋼錨箱加T時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制此處焊接質(zhì)量，主梁外腹板選擇抗層狀撕裂的Z向鋼板。
4)腹板的錨墊板最大Mises應(yīng)力為171 M Pa，集中在與錨墊板Ml交接處，但應(yīng)力快速擴(kuò)散減小。腹板應(yīng)力在錨墊板后沿著與M3、M4板交接線逐漸減小，其遞減規(guī)律與加勁板M3、M4 -致。
4結(jié)語
1)通過整體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，以及編制相關(guān)板件的參數(shù)方程，實(shí)現(xiàn)將構(gòu)造復(fù)雜且數(shù)量較多的空間鋼錨箱參數(shù)化設(shè)計(jì)，大大減少工作量，提高設(shè)計(jì)精度。
2)通過建立空間有限元模型，明確鋼錨箱至
3)由于鋼錨箱構(gòu)造較為復(fù)雜，傳力途經(jīng)環(huán)環(huán)相扣，部分連接處存在較大的應(yīng)力集中，制作時(shí)應(yīng)確保焊接質(zhì)量，保證鋼錨箱傳力的安全可靠。
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