懸索橋主纜型鋼錨固件尺寸參數影響分析

2023-12-29 00:53鄭力之賀耀北崔劍峰

交通科技 2023年6期

鄭力之賀耀北李瑜崔劍峰王甜

(1.中南建設集團有限公司長沙 410003; 2.湖南省交通規劃勘察設計院有限公司長沙 410200)

預應力錨固體系、型鋼錨固體系,是懸索橋主纜錨固體系的2種主要類型[1]。預應力錨固體系由預應力、索股連接件兩部分構成,用鋼量少、易布置、對安裝要求低,但存在可靠性差,后期維護成本高的缺點。型鋼錨固體系,用鋼量較大,制作安裝所需精度較高,但剛度大、可靠性高,且無需后期養護,體現了“全壽命”設計理念,在越來越多的大跨徑懸索橋中得到了應用,如日本的南北備贊橋、美國的金門大橋、華盛頓大橋、廣東虎門大橋、汕頭海灣大橋和南京長江四橋等[2]。

王煜東等[3]針對杭瑞高速洞庭湖大橋型鋼錨固體系進行試驗與數值研究,分析了多錨桿結構體系與單錨桿結構體系承載能力之間的關系。周陽等[4]依托湖北省白洋長江公路大橋,對懸索橋錨固體系安裝定位施工技術進行了研究總結。鐘永新等[5]針對懸索橋型鋼錨固體系,研究應用了錨固體系分層安裝工藝及支架設計方法。代道芬等[6]以白洋長江公路大橋北岸重力式錨碇型鋼錨固系統為背景,總結了施工過程的重點要點;王康明等[7]提出了主纜型鋼錨固系統安裝的精度控制技術;梁隆祥等[8]在中國土木工程學會2021年學術年會上,總結匯報了主跨710 m的地錨式玻璃懸索橋型鋼錨固體系施工技術。

近年來學者在懸索橋型鋼錨固系統方面的研究,大多集中于施工技術上,受力機理方面的研究較少。近年來的斜拉橋型鋼錨固相關研究表明[9-10],型鋼錨固體系破壞模式與承載力,與錨體幾何尺寸顯著相關。因此,開展懸索橋錨體尺寸對型鋼錨固結構承載力的影響研究十分必要。

本文以杭瑞高速洞庭湖大橋錨固體系為研究對象,通過ABAQUS有限元模擬,研究型鋼錨固體系中前錨桿及后錨梁的相關尺寸參數對錨固能力的影響,以為大跨徑懸索橋的建設提供支撐。

1 依托工程

杭瑞高速岳陽洞庭湖大橋為1 480 m+453.6 m雙塔雙跨鋼桁梁懸索橋,是世界上跨徑最大的板桁結合加勁梁懸索橋,其橋型布置圖見圖1。

圖1 橋型布置圖(單位:cm)

大橋主纜兩端均采用型鋼錨固體系與重力式錨碇結合。錨固體系由錨桿和后錨梁組成,后錨梁埋于錨體混凝土內,錨桿一端連接在后錨梁工字形接頭上,另一端伸出錨體前錨面,與主纜索股相連。單根主纜一端布置105根H型鋼錨桿,9根后錨梁采用“][”截面,由2片分離的槽鋼通過綴板、加勁肋等連接而成。大橋型鋼錨固體系的設置見圖2。

圖2 型鋼錨固體系(錨體混凝土澆筑前)

2 有限元模型

為研究單根錨桿的受力過程和破壞模式,分析錨固受力的影響參數,采用ABAQUS對錨固結構進行分析計算。

2.1 分析方法與幾何參數

型鋼錨固體系總體布置圖見圖3,依托工程錨桿間距1.25 m,錨梁間距1.78 m,錨梁中心至錨體上表面為24 m,錨梁下側至錨體底面為1.5 m,錨梁高度為1 m,錨桿長度為27.5 m。

圖3 型鋼錨固體系總體布置圖(單位:m)

單根錨桿,由以下3部分組成:①H型鋼錨桿,規格為H460 mm×450 mm×24 mm×20 mm;②埋置于錨體中,且與錨桿端部焊接的“][”槽鋼錨梁,槽鋼規格為460 mm×70 mm×24 mm,2片槽鋼間距為450 mm;③包裹錨梁和大部分錨桿的混凝土錨體。錨桿由上、下2段組成,下段為工字形接頭,與錨梁一起制作,其翼緣與錨梁腹板焊接,整體澆筑于錨體混凝土中;上段與下段通過高強螺栓連接,上段與錨體混凝土無黏結。

根據結構對稱性,建立1/4模型。模型采用對稱約束,以模擬實際;對于底面約束,采用邊界固結處理,其余均為自由。加載方式對頂端截面施加豎向位移,以模擬原結構響應。建立有限元模型見圖4。

圖4 有限元模型示意圖(1/4模型)

2.2 材料本構

混凝土為C30普通混凝土。采用混凝土損傷塑性模型,拉-壓本構數據,根據GB 50010-2011 《混凝土結構設計規范》采用,拉、壓本構模型分別見圖5、圖6。如圖所示,壓應力峰值為20.1 MPa,對應的應變為1 471×10-6,拉應力峰值為2.01 MPa,對應的應變為95×10-6。

圖5 C30混凝土受拉本構

圖6 C30混凝土受壓本構

錨桿及錨梁鋼材為Q235C結構鋼,采用雙折線本構模型,屈服強度225 MPa,極限抗拉強度370 MPa,彈性模量2.06 GPa。

2.3 構件接觸關系

鋼錨桿、鋼錨梁、錨體混凝土之間存在3種相互作用:①鋼與混凝土的黏結;②鋼與混凝土的摩擦;③鋼梁承壓面與混凝土錨體間的直接接觸壓力。

依托工程鋼混間黏結長度僅0.45 m,黏結力可以忽略;鋼混間的摩擦力也僅在破壞后才能明顯體現,無研究價值。因此,本文僅考慮后錨梁承壓面與混凝土的接觸壓力傳遞,面-面接觸設置為有限滑移,法向為硬接觸,切向無摩擦。承壓面位置示意見圖7(略去加勁肋)。

圖7 承壓面位置示意圖

2.4 研究參數

錨頭尺寸是錨固體系受力的關鍵參數,見圖8,涉及設計水平尺寸(1/2錨桿中心距A、1/2錨梁中心距B、錨梁邊緣與錨體邊緣的凈距b)與豎向參數(錨梁頂與錨體頂的距離h1,錨梁底與錨體底的距離h2,錨體高度H) 共6個。

圖8 研究參數示意

依托工程錨桿為等距排列,故錨桿間距A為0.625 m,保持為定值,故水平尺寸主要考慮B與b的變化。建立ABAQUS分析模型,分析尺寸對結構承載力的影響,探討錨梁及錨桿間距的合理值,研究錨固破壞模式。

3 參數影響分析

3.1 水平尺寸參數

為驗證水平尺寸參數的影響,設置7組不同水平尺寸分析模型,其參數取值見表1。

表1 水平尺寸分析模型參數表 cm

計算得到各參數模型的荷載-位移曲線見圖9～圖11。

圖9 峰值荷載-側向尺寸曲線

圖10 B1-B7荷載-位移

圖11 承壓面S1、S2、S3壓力-位移曲線

由圖9可知,錨固體系的承載能力隨著混凝土錨體水平尺寸B的增大而增大,但增大的趨勢隨尺寸繼續增大而趨于平緩。由圖 10各組可知,隨著結構尺寸的變化,出現了受力模式的轉變:B1～B4組,荷載-位移關系為近似直線的模式,從B5開始,表現出明顯的強化段,轉變為雙折線模式,水平尺寸B越大,強化段越長。觀察圖11中的3個承壓面壓力變化,由圖中各承壓面峰值荷載可知,對于總的荷載-位移曲線,S2承壓面上的荷載的占比最大,水平尺寸繼續增長,S2上荷載的變化,愈加與總體荷載曲線相似。

進一步地,觀察圖10、圖11,可以發現,承壓面S1及S2的壓力-位移曲線峰值,隨著B的增加而逐漸后移。同時,觀察橫坐標可知,S3承壓面最先到達峰值點。由圖11b)可以看出,S2壓力曲線在S3卸載的位移位置,斜率變陡,因此可以看出承壓面S3的卸載轉為了承壓面S2承擔,因此圖10中各個模型的總荷載-位移曲線未發生明顯突變。

由圖 11a)、b)可見,S1曲線峰值點與S2曲線剛度變化點非常接近,結合圖 10總荷載-位移曲線,可以推斷,結構總體的剛度改變是由于S1承壓面的卸載導致,且后續強化段主要由于S2的承載能力提供。另外,從S1、S2荷載曲線數值可以看出,在B5～B7這幾個模型工況下,S1承壓面的荷載峰值,小于S2承壓面。

由圖11c)可見,對于S3承壓面,不同模型工況下其荷載-位移曲線斜率差異較小,峰值點位置基本一致,說明S3承壓面的承載能力較為恒定,水平參數對其影響較小。分析可知,S3承壓面在錨體內部,水平參數的改變引起的承載能力變化小。而S1、S2的承載力隨水平參數的增大而增大。