南京长江二桥耳板式索梁锚固试验研究

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  【 摘要 】 斜拉桥索梁锚固区结构复杂，受力集中，是控制设计的关键部位。耳板式索梁锚固结构是钢箱梁索梁锚固的一种重要形式，使用这一结构的关键问题是掌握斜拉索与主梁锚固区域的应力大小及分布。本文以南京长江第二大桥南汊斜拉桥原耳板式索梁锚固结构为研究对象，     【摘要】斜拉桥索梁锚固区结构复杂，受力集中，是控制设计的关键部位。耳板式索梁锚固结构是钢箱梁索梁锚固的一种重要形式，使用这一结构的关键问题是掌握斜拉索与主梁锚固区域的应力大小及分布。本文以南京长江第二大桥南汊斜拉桥原耳板式索梁锚固结构为研究对象，对应力状态和传力途径，进行了结构试验和理论分析，得出了一些有益结论。【关键词】斜拉桥 索梁锚固 耳板 接触应力一、概述在索梁锚固区域，结构复杂，受力集中，是控制设计的关键部位。掌握斜拉索的锚头以及与钢箱梁连接附近的应力分布情况是十分重要的，然而目前的理论分析和计算能力都难于反映真实的应力分布情况，为此，有必要进行试验研究。南京长江第二大桥南汊斜拉桥的索梁锚固方案原设计采用耳板式结构，即在箱梁的边腹板上用高强螺栓固定上耳板，板上开一圆孔，斜拉索通过销子锚固在耳板的圆孔处。在受力方面，斜拉索的巨大索力通过销子以接触应力的形式传递给耳板，并进一步传递到腹板上。下面分别通过模型试验和有限元计算方法对该区域的应力进行研究，为设计、制造这一新型结构提供试验依据和理论依据。二、模型试验1.试验目的最大斜拉索索力作用下和1.7倍最大索力下两种工况：研究斜拉索索力作用在耳板上时，耳板的应力分布尤其是耳板孔周的应力分布；研究耳板与钢箱梁斜腹板连接的传力途径。2.模型设计根据试验目的，通过对索梁锚固区域进行细致的分析，找出尽可能反映实际设计桥梁在该区域应力分布情况的试验结构，在受力最大的J20号（江侧20号）索与箱梁锚固处分割出部分结构，该索与主梁夹角为26°。在对应力分布不产生明显影响的前提下作局部修改，根据相似条件，设计了1：2试验结构，如图1所示。3.模型制作及加载方案模型由铁道部宝鸡桥梁厂制造。焊接工艺尽可能与制造实桥的一致。耳板材料为0.7MnCrMoVR钢，屈服强度为5l0MPa，极限强度为630MPa。由中交公路规划设计院提供的试验节端荷载为：索力 619.5t，两端轴力分别是 364.0t和-185.6t。由这个荷载值根据相似原理计算得1：2模型设计荷载见表1，模型加载如图2所示。 三、试验结果分析1.0倍和1.7倍设计荷载下各构件的最大应力值见表2。从上表可以看出，耳板上的应力远大于其他构件上的应力。下面重点对耳板进行分析。 1.0倍设计荷载下耳板最大压应力和等效应力分别如图3和图4所示，图中数字中心为贴应变片的位置，“o”表示螺栓，X表示应变片失效。分析图3、图4和试验结果，可以提出以下几点：（1）耳板在腹板以上部分的应力比在腹板以内部分大，因为索力向下传递过程中，有一部分通过高强螺栓连接的摩擦面传递到腹板上，变成耳板和腹板共同受力的缘故。（2）最大压应力发生在销子与耳板沿索力方向相接触的位置，即圆孔右上方与水平线成26°角的地方，并且沿26°角方向一排测点的应力最大，向两侧衰减。最大压应力值为286MPa，最大等效应力为352MPa。此值是在所有测点中的最大值，不一定是耳板上实际的最大应力值。由于耳板不受集中力，应力不会有突变，因此实际最大应力应发生在最大值测点附近，且真实值应比测点最大值大，从应力增大的趋势看，实际最大应力应发生在圆孔右上方26°角处的孔壁上。（3）在圆孔下方螺栓上方，应力分布相对均匀，规律为向远离圆孔方向递减，至板的两边缘处减小为零。（4）在耳板与腹板通过螺栓栓接的摩擦面上应力分布规律为摩擦面周边的应力相对较大，中部相对较小。（5）摩擦面上边缘横向每个螺栓孔处受力规律为向右水平方向递增，纵向向下递减。（6）从外荷载变化的角度来分析耳板的应力变化，得出在材料的线弹性范围内，耳板的应力并不随外荷载按比例地增长，当外荷载从1.0倍设计荷载增大到1.7倍设计荷载时，除去耳板右下角应力增长率大于1.7外，总体规律为应力大的地方应力增长率大，接近或超过1.7，应力小的地方应力增长率小于1.7。这种情况对耳板受力是不利的。四、有限元计算在桥的纵向取24m长，包括6个节间的梁段，鉴于钢箱梁和索关于桥轴对称，在桥的横向取箱梁的一半，利用有限元计算程序ALGOR，采用板壳单元建立计算模型，运行程序

www.gong66.com进行计算。耳板的最大压应力等值线分布如图5所示。比较上图和图3可以发现，应力分布规律基本一致。捕捉圆孔旁边单元格的节点，耳板上的最大应力在圆孔右上方边缘与水平线成26°角的部位，值为350MPa。因为计算模型和试验模型的边界条件有区别，因此两者数值结果会有一定的差异。五、结论（1）耳板上最大压应力位于销子与耳板沿索力方向相接触的位置，耳板上沿索力方向一排测点的应力较大，向两方衰减。试验测得最大压应力值为286MPa；耳板与腹板检接的摩擦面上边缘出应力较大，中部应力较小；耳板上应力的增长与荷载的增长不成比例，应力越大的地方应力增长越快。（2）通过将试验结果与有限元计算结果相比较，两种方法得到的应力大小及分布规律基本一致，说明试验方案可行，试验结果可靠。（3）在大跨径斜拉桥中，耳板式锚团结构的耳板销孔在销轴的挤压下产生巨大的局部应力，其抗压强度不易满足设计要求，如果采用这种锚固方式，建议耳板的材料用强度较高的钢材，且销孔周围须作局部加强。参考文献[1]朱以文，韦庆如，顾伯达.微机有限元前后处理系统Vizi CAD及其应用.北京：科学技术文献出版社，199

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