中承式拱桥钢锚箱锚固结构受力机理及参数研究
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[ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ] ａｒｃｈ ｂｒｉｄｇｅꎻ ｓｔｅｅｌ ａｎｃｈｏｒ ｂｏｘｅｓꎻ ｅｌａｓｔｉｃ￣ｐｌａｓｔｉｃ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌｓꎻ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒꎻ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ
钢锚箱式锚固结构因其结构刚度大、 性能好ꎬ 被广泛应用于大跨度索梁锚固结构中ꎮ 特别是近几 年ꎬ 随着多座大跨度斜拉桥的建设ꎬ 使得大吨位钢 锚箱得到应用ꎬ 为钢锚箱的建造等积累了经验[１] ꎮ 对钢锚箱式锚固结构的研究ꎬ 学者较多以单个实际 工程为依托ꎬ 通过缩尺模型试验与仿真分析相结合 的方法ꎬ 验证依托工程钢锚箱的静力特性、 疲劳特 性、 安全储备[２ －９] ꎬ 如刘庆宽等人对南京长江二桥 钢锚箱进行模型试验与仿真分析ꎬ 研究了钢锚箱各 板件应力分布[２] ꎻ 鄢余文对安庆长江大桥钢锚箱 进行模型试验ꎬ 研究了钢锚箱各板件的应力分布、 焊缝的疲劳性能[３] ꎻ 吴冲等人对上海长江大桥钢
２４４
公路工程
４３ 卷
“Ｋ” 撑、 “ 一” 字撑连成整体ꎮ 桥面系由纵梁、 横梁组成 “工” 型格子梁ꎬ 其荷载通过吊杆或立 柱支承于拱肋ꎮ 主桥总体布置图如图 １ 所示ꎮ
图 １ 大桥总体布置图 (单位: ｍ) Ｆｉｇｕｒｅ １ Ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｔｈｅ
锚箱采用 １ ∶ ２ 缩尺静力模型试验与非线性有限元 模型ꎬ 研究 了 钢 锚 箱 的 极 限 承 载 能 力[４] ꎮ 目 前ꎬ 研究的钢锚箱构造迥异ꎬ 彼此独立ꎬ 缺乏系统性的 构造参数分析ꎮ 为此ꎬ 以某中承式拱桥系梁拉索钢 锚箱为工程背景ꎬ 建立弹塑性混合有限元模型ꎬ 对 其进行受力机理及构造参数分析ꎬ 旨在为后续钢锚 箱的受力研究和设计提供参考ꎮ
[关键词] 拱桥ꎻ 钢锚箱ꎻ 弹塑性有限元模型ꎻ 受力机理ꎻ 参数分析 [ 中图分类号] Ｕ ４４１ [ 文献标识码] Ａ [ 文章编号] １６７４ —０６１０ (２０１８) ０５ —０２４３ —０５
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｓｔｅｅｌ Ａｎｃｈｏｒ Ｂｏｘ Ａｎｃｈｏｒｅｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｈａｌｆ￣ｔｈｒｏｕｇｈ Ａｒｃｈ Ｂｒｉｄｇｅｓ
第 ４３ 卷ꎬ第 ５ 期 ２０１８ 年１０ 月
公路工程 Ｈｉｇｈｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅ ꎬ ２ ０ １ ８
中承式拱桥钢锚箱锚固结构受力机理及参数研究
陈耀章ꎬ 李继兰
( 湖南省交通科学研究院有限公司ꎬ 湖南 长沙 ４１０００４)
[摘 要] 为研究钢锚箱式锚固结构的受力机理ꎬ 以某中承式拱桥系梁拉索钢锚箱为研究对象ꎬ 选取包含钢 锚箱在内的系梁节段ꎬ 以支撑板、 加劲板长度、 承压板板厚为参数ꎬ 运用有限元软件 ＡＮＳＹＳ１２������ ０ 建立参数化的 “实 － 壳” 混合弹塑性有限元模型ꎬ 并对其进行仿真参数分析ꎮ 仿真结果表明: 在设计荷载、 承载力极限荷载工 况下ꎬ 钢锚箱各板件分配荷载比例无明显区别ꎻ 支撑板、 加劲板长度、 承压板厚度均能影响结构的破坏模态ꎮ
ＣＨＥＮ Ｙａｏｚｈａｎｇꎬ ＬＩ Ｊｉｌａｎ ( Ｈｕｎａｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｎｃａｔｉｏｎｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｔｕｔｅ Ｃｏ������ꎬＬｔｄ������ꎬ Ｃｈａｎｇｓｈａꎬ Ｈｕｎａｎ ４１０００４ꎬ Ｃｈｉｎａ)
[ Ａｂｓｔｒａｃｔ] Ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ａｎｃｈｏｒａｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ａｎｃｈｏｒ ｂｏｘｅｓꎬ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｃａｂｌｅ￣ｇｉｒｄｅｒ ａｎｃｈｏｒａｇｅ ｏｆ ｈａｌｆ￣ｔｈｒｏｕｇｈ ａｒｃｈ ｂｒｉｄｇｅꎬ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｇｉｒｄｅｒ ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅ ｓｔｅｅｌ ａｎｃｈｏｒ ｂｏｘｅｓ ｉｓ ｓｅｌｅｃｔｅｄ������ Ａｎｄ ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｐｌａｔｅ ａｎｄ ｓｔｉｆｆｅｎｉｎｇ ｐｌａｔｅꎬ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｂｅａｒｉｎｇ ｐｌａｔｅ ａｒｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓꎬ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ １２������ ０ ｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｈｙｂｒｉｄ ｅｌａｓｔｉｃ￣ｐｌａｓｔｉｃ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌｓꎬ ａｎｄ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ������ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ ｌｏａｄ ａｎｄ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙꎬ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｌｏａｄ ｄｏ ｎｏｔ ｈａｖｅ ｖａｒｉｏｕｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ａｍｏｎｇ ｅａｃｈ ｐａｎｅｌ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ａｎｃｈｏｒ ｂｏｘｅｓꎻ ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｐｌａｔｅ ａｎｄ ｓｔｉｆｆｅｎｉｎｇ ｐｌａｔｅꎬ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｂｅａｒｉｎｇ ｐｌａｔｅ ｃａｎ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆａｉｌｕｒｅ������
１ 工程概况
某中承式系杆钢箱拱桥ꎬ 跨径布置为 ５０ ｍ ＋ １６０ ｍ ＋ ５０ ｍꎬ 桥宽 ２１������ ５ ｍꎮ 主桥横向布置 ２ 片拱 肋ꎬ 截面为单室钢箱截面ꎬ 上、 下游两片拱肋通过
[ 收稿日期] ２０１７ － １１ － ２９ [ 作者简介] 陈耀章(１９８６ － ) ꎬ男 ꎬ湖南娄底人ꎬ硕士研究生ꎬ工程师ꎬ从事桥梁设计与研究工作ꎮ
钢锚箱式锚固结构因其结构刚度大、 性能好ꎬ 被广泛应用于大跨度索梁锚固结构中ꎮ 特别是近几 年ꎬ 随着多座大跨度斜拉桥的建设ꎬ 使得大吨位钢 锚箱得到应用ꎬ 为钢锚箱的建造等积累了经验[１] ꎮ 对钢锚箱式锚固结构的研究ꎬ 学者较多以单个实际 工程为依托ꎬ 通过缩尺模型试验与仿真分析相结合 的方法ꎬ 验证依托工程钢锚箱的静力特性、 疲劳特 性、 安全储备[２ －９] ꎬ 如刘庆宽等人对南京长江二桥 钢锚箱进行模型试验与仿真分析ꎬ 研究了钢锚箱各 板件应力分布[２] ꎻ 鄢余文对安庆长江大桥钢锚箱 进行模型试验ꎬ 研究了钢锚箱各板件的应力分布、 焊缝的疲劳性能[３] ꎻ 吴冲等人对上海长江大桥钢
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公路工程
４３ 卷
“Ｋ” 撑、 “ 一” 字撑连成整体ꎮ 桥面系由纵梁、 横梁组成 “工” 型格子梁ꎬ 其荷载通过吊杆或立 柱支承于拱肋ꎮ 主桥总体布置图如图 １ 所示ꎮ
图 １ 大桥总体布置图 (单位: ｍ) Ｆｉｇｕｒｅ １ Ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｔｈｅ
锚箱采用 １ ∶ ２ 缩尺静力模型试验与非线性有限元 模型ꎬ 研究 了 钢 锚 箱 的 极 限 承 载 能 力[４] ꎮ 目 前ꎬ 研究的钢锚箱构造迥异ꎬ 彼此独立ꎬ 缺乏系统性的 构造参数分析ꎮ 为此ꎬ 以某中承式拱桥系梁拉索钢 锚箱为工程背景ꎬ 建立弹塑性混合有限元模型ꎬ 对 其进行受力机理及构造参数分析ꎬ 旨在为后续钢锚 箱的受力研究和设计提供参考ꎮ
[关键词] 拱桥ꎻ 钢锚箱ꎻ 弹塑性有限元模型ꎻ 受力机理ꎻ 参数分析 [ 中图分类号] Ｕ ４４１ [ 文献标识码] Ａ [ 文章编号] １６７４ —０６１０ (２０１８) ０５ —０２４３ —０５
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｓｔｅｅｌ Ａｎｃｈｏｒ Ｂｏｘ Ａｎｃｈｏｒｅｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｈａｌｆ￣ｔｈｒｏｕｇｈ Ａｒｃｈ Ｂｒｉｄｇｅｓ
第 ４３ 卷ꎬ第 ５ 期 ２０１８ 年１０ 月
公路工程 Ｈｉｇｈｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅ ꎬ ２ ０ １ ８
中承式拱桥钢锚箱锚固结构受力机理及参数研究
陈耀章ꎬ 李继兰
( 湖南省交通科学研究院有限公司ꎬ 湖南 长沙 ４１０００４)
[摘 要] 为研究钢锚箱式锚固结构的受力机理ꎬ 以某中承式拱桥系梁拉索钢锚箱为研究对象ꎬ 选取包含钢 锚箱在内的系梁节段ꎬ 以支撑板、 加劲板长度、 承压板板厚为参数ꎬ 运用有限元软件 ＡＮＳＹＳ１２������ ０ 建立参数化的 “实 － 壳” 混合弹塑性有限元模型ꎬ 并对其进行仿真参数分析ꎮ 仿真结果表明: 在设计荷载、 承载力极限荷载工 况下ꎬ 钢锚箱各板件分配荷载比例无明显区别ꎻ 支撑板、 加劲板长度、 承压板厚度均能影响结构的破坏模态ꎮ
ＣＨＥＮ Ｙａｏｚｈａｎｇꎬ ＬＩ Ｊｉｌａｎ ( Ｈｕｎａｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｎｃａｔｉｏｎｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｔｕｔｅ Ｃｏ������ꎬＬｔｄ������ꎬ Ｃｈａｎｇｓｈａꎬ Ｈｕｎａｎ ４１０００４ꎬ Ｃｈｉｎａ)
[ Ａｂｓｔｒａｃｔ] Ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ａｎｃｈｏｒａｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ａｎｃｈｏｒ ｂｏｘｅｓꎬ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｃａｂｌｅ￣ｇｉｒｄｅｒ ａｎｃｈｏｒａｇｅ ｏｆ ｈａｌｆ￣ｔｈｒｏｕｇｈ ａｒｃｈ ｂｒｉｄｇｅꎬ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｇｉｒｄｅｒ ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅ ｓｔｅｅｌ ａｎｃｈｏｒ ｂｏｘｅｓ ｉｓ ｓｅｌｅｃｔｅｄ������ Ａｎｄ ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｐｌａｔｅ ａｎｄ ｓｔｉｆｆｅｎｉｎｇ ｐｌａｔｅꎬ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｂｅａｒｉｎｇ ｐｌａｔｅ ａｒｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓꎬ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ １２������ ０ ｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｈｙｂｒｉｄ ｅｌａｓｔｉｃ￣ｐｌａｓｔｉｃ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌｓꎬ ａｎｄ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ������ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ ｌｏａｄ ａｎｄ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙꎬ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｌｏａｄ ｄｏ ｎｏｔ ｈａｖｅ ｖａｒｉｏｕｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ａｍｏｎｇ ｅａｃｈ ｐａｎｅｌ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ａｎｃｈｏｒ ｂｏｘｅｓꎻ ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｐｌａｔｅ ａｎｄ ｓｔｉｆｆｅｎｉｎｇ ｐｌａｔｅꎬ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｂｅａｒｉｎｇ ｐｌａｔｅ ｃａｎ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆａｉｌｕｒｅ������
１ 工程概况
某中承式系杆钢箱拱桥ꎬ 跨径布置为 ５０ ｍ ＋ １６０ ｍ ＋ ５０ ｍꎬ 桥宽 ２１������ ５ ｍꎮ 主桥横向布置 ２ 片拱 肋ꎬ 截面为单室钢箱截面ꎬ 上、 下游两片拱肋通过
[ 收稿日期] ２０１７ － １１ － ２９ [ 作者简介] 陈耀章(１９８６ － ) ꎬ男 ꎬ湖南娄底人ꎬ硕士研究生ꎬ工程师ꎬ从事桥梁设计与研究工作ꎮ