彭 濤

(湖南聯(lián)智科技股份有限公司, 湖南 長沙 410200)

鋼錨箱式錨固結(jié)構(gòu)以其整體性好、剛度大等優(yōu)點，在大跨徑斜拉橋和鋼拱橋中廣泛應(yīng)用。目前我國已經(jīng)開展多項關(guān)于鋼錨箱的研究，主要研究成果包括鋼錨箱的傳力機理、各板件受力特性、外荷載產(chǎn)生附加彎矩對鋼錨箱及鄰近區(qū)域鋼箱梁的受力影響等[1-2]。考慮到鋼錨箱式錨固結(jié)構(gòu)板件眾多，受力較為復(fù)雜，須建立較為精細的空間有限元模型進行仿真分析。本文以某鋼拱橋鋼錨箱為研究對象，建立局部精細化有限元模型，分析其彈塑性力學(xué)行為，研究成果可為鋼錨箱破壞機理研究提供參考。

1 工程概況

某大跨徑鋼拱橋橋跨布置為(50+160+50)m，橫向分為2條拱肋，截面形式為單箱單室鋼箱梁截面，兩片拱肋之間通過設(shè)置橫撐和斜撐形成整體，橋面為格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，系梁為鋼箱梁，橫梁為工字梁(見圖1)。取系梁錨固區(qū)鋼錨箱為研究對象。鋼錨箱分為錨墊板、加勁肋、支撐板、承壓板、反力加勁肋、系梁腹板及加勁板等主要構(gòu)件，其中支撐板、加勁板、承壓板等主要受力板件采用Q420鋼材，其余板件采用Q345鋼材，板件之間通過焊接形成整體，加勁板上設(shè)置錨固螺栓。鋼錨箱平面構(gòu)造見圖2。

圖1 鋼拱橋橋型布置圖(單位： m)

圖2 鋼錨箱平面構(gòu)造示意圖(單位： cm)

2 有限元模擬

根據(jù)設(shè)計圖紙，使用有限元軟件建立鋼錨箱空間有限元模型，由于結(jié)構(gòu)的對稱性，取半結(jié)構(gòu)進行計算分析。錨墊板厚度較大，故采用Solid45三維實體單元模擬，其余部分板件較薄，使用Shell181殼單元模擬，2種不同的單元之間通過MPC184單元綁定接觸[3-4]，采用六面體映射法劃分網(wǎng)格。按照多折線模型考慮構(gòu)件塑性階段的非線性行為(見圖3)。在進行有限元建模前，對鋼錨箱進行了加載破壞試驗，結(jié)合試驗結(jié)果及規(guī)范，該鋼錨箱中Q345鋼材屈服應(yīng)力取383 MPa，極限應(yīng)力取530 MPa；Q420鋼材屈服應(yīng)力取435 MPa，極限應(yīng)力取570 MPa。有限元模型見圖4。

圖3 彈塑性多折線模型

圖4 有限元模型半結(jié)構(gòu)示意圖

3 有限元結(jié)果分析

3.1 彈性階段鋼錨箱主要板件受力特征

圖5給出了設(shè)計荷載下鋼錨箱支撐板沿荷載方向的正應(yīng)力分布結(jié)果，計算結(jié)果表明：在設(shè)計荷載作用下，支撐板沿荷載方向壓應(yīng)力最大達180 MPa，表現(xiàn)出較為明顯的面外受彎受力特點，垂直荷載方向兩端應(yīng)力較為集中，近錨頭位置最大拉應(yīng)力為70 MPa，遠錨頭位置最大壓應(yīng)力為170 MPa。

圖6給出了內(nèi)外側(cè)加勁板及承壓板在設(shè)計荷載下沿荷載方向和垂直荷載方向正應(yīng)力分布，計算結(jié)果表明：沿荷載方向內(nèi)外側(cè)加勁板錨下區(qū)域的正應(yīng)力水平普遍較高，達-160～-200 MPa，相對受拉側(cè)出現(xiàn)10～20 MPa拉應(yīng)力，其余位置應(yīng)力分布較為均勻；垂直于荷載方向上正應(yīng)力值較小，但是在錨下位置存在明顯的面外彎曲現(xiàn)象；承壓板周邊由于板件較多，表現(xiàn)出復(fù)雜的面外受彎，正應(yīng)力峰值達260 MPa。

a)沿荷載方向支撐板正應(yīng)力

b) 垂直荷載方向支撐板正應(yīng)力

a) 內(nèi)側(cè)加勁板沿荷載方向正應(yīng)力

b)內(nèi)側(cè)加勁板垂直荷載方向正應(yīng)力

c) 外側(cè)加勁板沿荷載方向正應(yīng)力

d) 外側(cè)加勁板垂直荷載方向正應(yīng)力

e)承壓板沿荷載方向正應(yīng)力

f)承壓板垂直荷載方向正應(yīng)力

3.2 極限狀態(tài)鋼錨箱主要板件受力特征

圖7給出了鋼錨箱支撐板的Von Mises應(yīng)力分布及塑性應(yīng)變發(fā)展結(jié)果，計算結(jié)果表明：在極限狀態(tài)下，支撐板大部分區(qū)域處于屈服狀態(tài)，鋼錨箱腹板焊縫區(qū)域(紅色部分)大部分達到了屈服應(yīng)力，屈服應(yīng)力分布區(qū)域超過50%以上，塑性應(yīng)變也在該區(qū)域迅速擴展，鋼錨箱破壞主要是因為支撐板與腹板焊縫區(qū)域屈服造成的。

a) 支撐板Von Mises應(yīng)力分布(單位：MPa)

b) 支撐板塑性應(yīng)變分布

圖8給出了內(nèi)外側(cè)加勁板及承壓板在極限狀態(tài)下構(gòu)件Von Mises應(yīng)力分布及塑性應(yīng)變發(fā)展結(jié)果，計算結(jié)果表明：內(nèi)外側(cè)加勁板錨下區(qū)域附近達到屈服狀態(tài)，內(nèi)側(cè)加勁板屈服區(qū)域較外側(cè)加勁板稍大，其余位置基本上處于彈性階段，塑性應(yīng)變也僅在錨下較小區(qū)域內(nèi)發(fā)展;當(dāng)鋼錨箱達到極限狀態(tài)時，內(nèi)外側(cè)承壓板的塑性區(qū)域較小，塑性應(yīng)變維持在較低水平，加勁板屈服不是導(dǎo)致鋼錨箱破壞的主要因素；由圖8e、圖8f可知，承壓板由于與多塊板件焊接，受力較為復(fù)雜，特別是承壓板與腹板焊接位置，基本處于完全屈服狀態(tài)，塑性應(yīng)變也發(fā)展較快，當(dāng)鋼錨箱破壞時，承壓板與腹板焊接位置達到塑性應(yīng)變極限。

a) 內(nèi)側(cè)加勁板Von Mises應(yīng)力分布(單位：MPa)

b) 內(nèi)側(cè)加勁板塑性應(yīng)變分布

c) 外側(cè)加勁板Von Mises應(yīng)力分布(單位： MPa)

e) 承壓板Von Mises應(yīng)力分布(單位： MPa)

f) 承壓板塑性應(yīng)變分布

4 結(jié)論

以某中承式鋼拱橋系梁錨固區(qū)鋼錨箱為研究對象，使用有限元軟件建立局部空間有限元模型，開展了彈性及塑性狀態(tài)下鋼錨箱主要板件力學(xué)行為特征分析，得到以下結(jié)論：

1)彈性狀態(tài)下，鋼錨箱支撐板位置沿荷載分布方向最大正應(yīng)力為-180 MPa，受力形式為面外受彎，垂直荷載方向錨下區(qū)域有小范圍應(yīng)力集中，最大正應(yīng)力為-170 MPa。

2)彈性狀態(tài)下，鋼錨箱內(nèi)外側(cè)加勁板正應(yīng)力分布為-160 MPa～-200 MPa，相對受拉側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力，但是數(shù)值較小，承壓板應(yīng)力較為復(fù)雜，且應(yīng)力水平較高，最大正應(yīng)力達260 MPa。

3)極限狀態(tài)下，鋼錨箱支撐板大部分區(qū)域達到屈服應(yīng)力，塑性應(yīng)變快速發(fā)展；同時承壓板與腹板焊接位置也達到屈服狀態(tài)，內(nèi)外側(cè)加勁板僅錨下區(qū)域位置出現(xiàn)屈服，但塑性應(yīng)變水平較低。