南京長江二橋南汊主橋錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)試驗研究

1、南京長江二橋南汊主橋錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)試驗研究 時間:2003-11-01作者:劉慶寬出處:中國土木工程學(xué)會橋梁及結(jié)構(gòu)工程學(xué)會第十四屆年會論文集      南京長江二橋南汊主橋錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)試驗研究  劉慶寬 張強 陳偉慶 強士中  （西南交通大學(xué)橋梁與結(jié)構(gòu)工程系）【摘要】南京二橋南汊主橋的斜拉索與主梁錨固采用錨箱結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)板件連接復(fù)雜，受力集中，有必要掌握結(jié)構(gòu)及附件區(qū)域的應(yīng)力大小及分布，文章通過模型試驗，對這一問題進行了研究，得出了一些有益的結(jié)論?！娟P(guān)鍵詞】斜拉橋 索梁錨固

2、錨箱 應(yīng)力分析一、概述    南京長江二橋南汊斜拉橋的斜拉索與主箱梁的錨固采用錨箱式結(jié)構(gòu)，即在箱梁的邊腹板上順?biāo)飨蚝附渝^箱，箱底板開一圓孔，斜拉索穿過錨箱共錨固在底板上（如圖1所示）。這種錨固結(jié)構(gòu)在國內(nèi)的大跨斜拉橋中是首次使用，國外可以借鑒的資料也不多。該結(jié)構(gòu)錨箱處板件較多，連接復(fù)雜，索力較大，是控制設(shè)計的關(guān)鍵部位，掌握斜拉索拉力通過錨箱，如何影響錨箱附近梁體中的應(yīng)力分布是十分必要的。但該區(qū)域通過理論分析和計算都難于準(zhǔn)確反映其真實的應(yīng)力分布情況。為此針對南汊大橋錨箱式錨固結(jié)構(gòu)進行了靜載模型試驗。二、試驗?zāi)康?#160;   在最大斜拉索索力和1

3、.7倍最大索力作用在錨箱上時：    （1）研究錨箱處箱梁各板件，尤其是斜腹板的應(yīng)力大小及分布情況；    （2）研究錨箱各板件的應(yīng)力大小及分布情況；    （3）研究錨箱與鋼箱梁斜腹板連接的傳力途徑；    （4）研究錨箱各板件的連接可靠性；    （5）研究錨箱和腹板的連接可靠性；    （6）研究索梁錨固區(qū)域的承載能力及其在1.7倍最大索力作用下的安全儲備；    （7）檢驗錨箱式

4、索梁錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性、安全性。三、試驗?zāi)Ｐ汀⒓虞d方法和試驗荷載    本項研究試驗是為了得出斜拉索與主梁錨固的錨箱及其附近的應(yīng)變和應(yīng)力分布情況，為此對索梁錨固區(qū)域進行了細致的分析，找出盡可能反映實際設(shè)計橋梁在該區(qū)域應(yīng)力分布情況的試驗結(jié)構(gòu)。根據(jù)試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計的一般原則和南京長江二橋南汊大橋設(shè)計圖紙以及西南交通大學(xué)工程結(jié)構(gòu)試驗中心的情況，由南京長江二橋建設(shè)指揮部、中交公路規(guī)劃設(shè)計院和西南交通    大學(xué)共同確定了試驗研究方案，錨箱式索梁錨固區(qū)域靜載試驗研究對象為1：1的試驗結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該試件是在實際設(shè)計橋梁的J20梁段錨箱區(qū)域取出

5、部分結(jié)構(gòu)，并在對應(yīng)力分布沒有顯著影響的前提下做局部修改。試件與實際設(shè)計橋梁錨箱區(qū)域的差異是：頂板、底板的"U"形加勁肋變更為鋼板加勁肋。    試件由鐵道部寶雞橋梁廠制造。    模型主體鋼材為16Mnq鋼，底座（包括反力支座）及頂板上的吊鉤鋼材為16Mn鋼。    在焊接工藝方面，模型板件之間的定位焊用直徑為4的E5015焊條，無預(yù)熱；埋弧焊采用CO2氣體保護焊或手工電弧焊，底座部分用的焊條為1.2的ER50-6型，焊接位置為平角焊，錨箱部分用的焊條為5的E5015型，角焊縫抗拉、抗

6、壓、抗剪強度均為200MPa。焊接位置為平焊。    將斜拉索的拉力用兩個500t千斤頂對圓形墊板的壓力來代替，反力作用在模型底座的斜向墊板上。鋼箱梁的橋梁縱向軸力用模型上方的千斤頂?shù)南蛳峦屏泶?，反力作用在加載剛架上。中交公路規(guī)劃設(shè)計院提供的最大設(shè)計索力為530t，軸向壓力為330t。根據(jù)試驗室具體情況，確定試驗荷載及工況情況見表1。    工況荷載值的4倍對應(yīng)于最大設(shè)計索力作用時，J20索兩端主梁上的軸力和最大設(shè)計索力沿橋軸向的分力相互平衡的狀態(tài)。工況對應(yīng)于1.7倍最大索力作用時，錨箱各構(gòu)件的應(yīng)力分布及安全儲備。其中F2由于試驗

7、加載設(shè)備等情況限制，并未按實際比例加載到1.7倍軸向壓力（561t），而是加載到 127.6t。四、模型應(yīng)力分析1.構(gòu)件最大應(yīng)力分析     在分析中做以下假設(shè)：    （1）根據(jù)測得的應(yīng)變值計算應(yīng)力時，如果應(yīng)力值低于鋼材的屈服強度，則應(yīng)力值為計算值；如果高于屈服強度，則應(yīng)力值為屈服強度。2）板件的強度由測得的最大應(yīng)力控制。    表2和表3是各構(gòu)件的最大應(yīng)力值數(shù)據(jù)。其中N4（外）表示錨箱外側(cè)的N4板，N4（內(nèi)）表示錨箱內(nèi)側(cè)N4板，N5（左）表示面對錨箱時，錨箱左側(cè)的三塊地板N5板，N5（右）表示錨箱右側(cè)

8、的三塊N5板。表中測點位置參照圖3。    根據(jù)公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（JTJ02586），16Mnq鋼的容許拉、壓應(yīng)力均為200MPa，屈服強度為345MPa，由第四強度理論，等效應(yīng)力不大于容許拉壓應(yīng)力為強度條件，對上述各點進行判斷。工況I下，只有測點15的等效應(yīng)力大于容許強度，為237.4MPa，其余各板件的最大應(yīng)力值均小于容許強度。    在工況下，當(dāng)荷載加至設(shè)計荷載的80，測點15的等效應(yīng)力已經(jīng)達到202.6MPa，超過容許強度，其余各板件應(yīng)力均未達到容許強度；荷載1.0倍設(shè)計荷載時，還是只有測點15的等效應(yīng)力超過容許

9、強度，為2463MPa，且腹板上只有這一點超過容許強度。其余各板件的最大等效應(yīng)力均小于容許強度。當(dāng)荷載加至1.4倍設(shè)計荷載時，腹板上的6點、7點、8點、13點、15點、N3點板上62點均超過容許強度，最大值為腹板上的15測點，達到360MPa。當(dāng)荷載加至1.7倍設(shè)計荷載時，模型上有大量的測點的等效應(yīng)力值超過容許強度，其中腹板和N3板超出點較多。2應(yīng)力的分布    模型構(gòu)件的等效應(yīng)力分布如圖3圖7所示，括號中的數(shù)字表示測點編號，數(shù)字旁邊的標(biāo)記為應(yīng)變花（橫短線為應(yīng)變片）的位置。16號應(yīng)變花和116號應(yīng)變片損壞。    參照圖3，腹板在豎斜

10、向（順錨箱軸線方向）的五排測點中，等效應(yīng)力基本是在錨箱底板處的應(yīng)力值最大，向兩側(cè)衰減，如圖8所示為腹板豎向左起第二排測點（測點6，7，8，9，10，11，12）的應(yīng)力變化規(guī)律。橫坐標(biāo)表示以測點6的位置為坐    標(biāo)零點，向上各點離開測點6的距離，單位為mm；縱坐標(biāo)表示各點的等效應(yīng)力值，單位為MPa。峰值點（158MPa）為靠近錨箱底板的8號測點。圖9所示為腹板發(fā)向第三排測點（測點3，8，15，18，29）的應(yīng)力變化規(guī)律，橫坐標(biāo)表示一測點3的位置為坐標(biāo)零點，向右各測點離開3點的距離（mm），豎坐標(biāo)表示各測點的等效應(yīng)力（MPa），峰值點（237MP）為靠近錨箱底部的1

11、5號測點。    在工況下，N3板各測點應(yīng)力值均小于容許強度。最大等效應(yīng)力為195MPa，位于板的側(cè)面上。正面上應(yīng)力最大點為62點。除去62點外，其余各點應(yīng)力分布比較均勻。從應(yīng)力分布來看，加力圓環(huán)附近的測點應(yīng)力值較高，其余各點的應(yīng)力值較低。按性質(zhì)分析，N3板受力比較復(fù)雜，板內(nèi)既有彎曲應(yīng)力，也有擠壓應(yīng)力。    N4板在應(yīng)力分布上，并無明顯規(guī)律。    N5板從應(yīng)力分布來看，靠近底板處的應(yīng)力較大，向上沿錨箱軸線方向降低。     N2板和N1板在應(yīng)力分布上具有相似的規(guī)律，縱向三排測點都是靠近底板處的應(yīng)力值大，沿錨箱軸線方向向上逐漸減小。    從以上分析可以看出，索力作用在N3板上，以壓應(yīng)力的形式傳遞到N1和N2板，之后沿三塊板與腹板減的焊縫傳遞到腹板，并向四周衰減，傳力途徑流暢。五、結(jié)論    （1）模型腹板在錨箱底板外側(cè)區(qū)域的應(yīng)力最大。在最大設(shè)計索力作用下，有應(yīng)力超過材料屈服強度的點。由于受到邊界條件的影響，實橋應(yīng)力值會低于測量值。錨箱各板和使隔板及縱向加勁肋的應(yīng)力較腹板小，在最大索力作用下，沒有超過材料屈服強度