悬索桥主缆型钢锚固件尺寸参数影响分析

2023-12-29 00:53郑力之贺耀北崔剑峰

交通科技 2023年6期

郑力之贺耀北李瑜崔剑峰王甜

(1.中南建设集团有限公司长沙 410003; 2.湖南省交通规划勘察设计院有限公司长沙 410200)

预应力锚固体系、型钢锚固体系,是悬索桥主缆锚固体系的2种主要类型[1]。预应力锚固体系由预应力、索股连接件两部分构成,用钢量少、易布置、对安装要求低,但存在可靠性差,后期维护成本高的缺点。型钢锚固体系,用钢量较大,制作安装所需精度较高,但刚度大、可靠性高,且无需后期养护,体现了“全寿命”设计理念,在越来越多的大跨径悬索桥中得到了应用,如日本的南北备赞桥、美国的金门大桥、华盛顿大桥、广东虎门大桥、汕头海湾大桥和南京长江四桥等[2]。

王煜东等[3]针对杭瑞高速洞庭湖大桥型钢锚固体系进行试验与数值研究,分析了多锚杆结构体系与单锚杆结构体系承载能力之间的关系。周阳等[4]依托湖北省白洋长江公路大桥,对悬索桥锚固体系安装定位施工技术进行了研究总结。钟永新等[5]针对悬索桥型钢锚固体系,研究应用了锚固体系分层安装工艺及支架设计方法。代道芬等[6]以白洋长江公路大桥北岸重力式锚碇型钢锚固系统为背景,总结了施工过程的重点要点;王康明等[7]提出了主缆型钢锚固系统安装的精度控制技术;梁隆祥等[8]在中国土木工程学会2021年学术年会上,总结汇报了主跨710 m的地锚式玻璃悬索桥型钢锚固体系施工技术。

近年来学者在悬索桥型钢锚固系统方面的研究,大多集中于施工技术上,受力机理方面的研究较少。近年来的斜拉桥型钢锚固相关研究表明[9-10],型钢锚固体系破坏模式与承载力,与锚体几何尺寸显著相关。因此,开展悬索桥锚体尺寸对型钢锚固结构承载力的影响研究十分必要。

本文以杭瑞高速洞庭湖大桥锚固体系为研究对象,通过ABAQUS有限元模拟,研究型钢锚固体系中前锚杆及后锚梁的相关尺寸参数对锚固能力的影响,以为大跨径悬索桥的建设提供支撑。

1 依托工程

杭瑞高速岳阳洞庭湖大桥为1 480 m+453.6 m双塔双跨钢桁梁悬索桥,是世界上跨径最大的板桁结合加劲梁悬索桥,其桥型布置图见图1。

图1 桥型布置图(单位:cm)

大桥主缆两端均采用型钢锚固体系与重力式锚碇结合。锚固体系由锚杆和后锚梁组成,后锚梁埋于锚体混凝土内,锚杆一端连接在后锚梁工字形接头上,另一端伸出锚体前锚面,与主缆索股相连。单根主缆一端布置105根H型钢锚杆,9根后锚梁采用“][”截面,由2片分离的槽钢通过缀板、加劲肋等连接而成。大桥型钢锚固体系的设置见图2。

图2 型钢锚固体系(锚体混凝土浇筑前)

2 有限元模型

为研究单根锚杆的受力过程和破坏模式,分析锚固受力的影响参数,采用ABAQUS对锚固结构进行分析计算。

2.1 分析方法与几何参数

型钢锚固体系总体布置图见图3,依托工程锚杆间距1.25 m,锚梁间距1.78 m,锚梁中心至锚体上表面为24 m,锚梁下侧至锚体底面为1.5 m,锚梁高度为1 m,锚杆长度为27.5 m。

图3 型钢锚固体系总体布置图(单位:m)

单根锚杆,由以下3部分组成:①H型钢锚杆,规格为H460 mm×450 mm×24 mm×20 mm;②埋置于锚体中,且与锚杆端部焊接的“][”槽钢锚梁,槽钢规格为460 mm×70 mm×24 mm,2片槽钢间距为450 mm;③包裹锚梁和大部分锚杆的混凝土锚体。锚杆由上、下2段组成,下段为工字形接头,与锚梁一起制作,其翼缘与锚梁腹板焊接,整体浇筑于锚体混凝土中;上段与下段通过高强螺栓连接,上段与锚体混凝土无黏结。

根据结构对称性,建立1/4模型。模型采用对称约束,以模拟实际;对于底面约束,采用边界固结处理,其余均为自由。加载方式对顶端截面施加竖向位移,以模拟原结构响应。建立有限元模型见图4。

图4 有限元模型示意图(1/4模型)

2.2 材料本构

混凝土为C30普通混凝土。采用混凝土损伤塑性模型,拉-压本构数据,根据GB 50010-2011 《混凝土结构设计规范》采用,拉、压本构模型分别见图5、图6。如图所示,压应力峰值为20.1 MPa,对应的应变为1 471×10-6,拉应力峰值为2.01 MPa,对应的应变为95×10-6。

图5 C30混凝土受拉本构

图6 C30混凝土受压本构

锚杆及锚梁钢材为Q235C结构钢,采用双折线本构模型,屈服强度225 MPa,极限抗拉强度370 MPa,弹性模量2.06 GPa。

2.3 构件接触关系

钢锚杆、钢锚梁、锚体混凝土之间存在3种相互作用:①钢与混凝土的黏结;②钢与混凝土的摩擦;③钢梁承压面与混凝土锚体间的直接接触压力。

依托工程钢混间黏结长度仅0.45 m,黏结力可以忽略;钢混间的摩擦力也仅在破坏后才能明显体现,无研究价值。因此,本文仅考虑后锚梁承压面与混凝土的接触压力传递,面-面接触设置为有限滑移,法向为硬接触,切向无摩擦。承压面位置示意见图7(略去加劲肋)。

图7 承压面位置示意图

2.4 研究参数

锚头尺寸是锚固体系受力的关键参数,见图8,涉及设计水平尺寸(1/2锚杆中心距A、1/2锚梁中心距B、锚梁边缘与锚体边缘的净距b)与竖向参数(锚梁顶与锚体顶的距离h1,锚梁底与锚体底的距离h2,锚体高度H) 共6个。

图8 研究参数示意

依托工程锚杆为等距排列,故锚杆间距A为0.625 m,保持为定值,故水平尺寸主要考虑B与b的变化。建立ABAQUS分析模型,分析尺寸对结构承载力的影响,探讨锚梁及锚杆间距的合理值,研究锚固破坏模式。

3 参数影响分析

3.1 水平尺寸参数

为验证水平尺寸参数的影响,设置7组不同水平尺寸分析模型,其参数取值见表1。

表1 水平尺寸分析模型参数表 cm

计算得到各参数模型的荷载-位移曲线见图9～图11。

图9 峰值荷载-侧向尺寸曲线

图10 B1-B7荷载-位移

图11 承压面S1、S2、S3压力-位移曲线

由图9可知,锚固体系的承载能力随着混凝土锚体水平尺寸B的增大而增大,但增大的趋势随尺寸继续增大而趋于平缓。由图 10各组可知,随着结构尺寸的变化,出现了受力模式的转变:B1～B4组,荷载-位移关系为近似直线的模式,从B5开始,表现出明显的强化段,转变为双折线模式,水平尺寸B越大,强化段越长。观察图11中的3个承压面压力变化,由图中各承压面峰值荷载可知,对于总的荷载-位移曲线,S2承压面上的荷载的占比最大,水平尺寸继续增长,S2上荷载的变化,愈加与总体荷载曲线相似。

进一步地,观察图10、图11,可以发现,承压面S1及S2的压力-位移曲线峰值,随着B的增加而逐渐后移。同时,观察横坐标可知,S3承压面最先到达峰值点。由图11b)可以看出,S2压力曲线在S3卸载的位移位置,斜率变陡,因此可以看出承压面S3的卸载转为了承压面S2承担,因此图10中各个模型的总荷载-位移曲线未发生明显突变。

由图 11a)、b)可见,S1曲线峰值点与S2曲线刚度变化点非常接近,结合图 10总荷载-位移曲线,可以推断,结构总体的刚度改变是由于S1承压面的卸载导致,且后续强化段主要由于S2的承载能力提供。另外,从S1、S2荷载曲线数值可以看出,在B5～B7这几个模型工况下,S1承压面的荷载峰值,小于S2承压面。

由图11c)可见,对于S3承压面,不同模型工况下其荷载-位移曲线斜率差异较小,峰值点位置基本一致,说明S3承压面的承载能力较为恒定,水平参数对其影响较小。分析可知,S3承压面在锚体内部,水平参数的改变引起的承载能力变化小。而S1、S2的承载力随水平参数的增大而增大。