奇龙大桥主梁空间钢锚箱参数化设计及受力分析

 王猛

 [上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海200092]

摘要：奇龙大桥为独塔空间双索面混合梁斜拉桥，因拉索角度空间变化等因素的影响，主梁钢锚箱的设计变得极其复杂，设计工作量非常大。通过转换整体坐标系，编制相关板件的参数方程，将构造复杂的空间钢锚箱实现参数化设计，极大减少工作量，提高设计精度，又通过选取典型钢锚箱建立有限元模型进行受力分析，明确钢锚箱各主要板件的传力途径及各主要板件的受力情况。

关键词：斜拉桥；空间钢锚箱；参数化设计；有限元分析

中图分类号：U448.27 文章编号：1004-4655( 2016) 02-0021-03

 奇龙大桥是广东省佛山市魁奇路东延线二期工程的重要节点，跨越东平水道，采用独塔空间双索面混合梁斜拉桥。其跨径组合为66 m+69 m+260 m=395 m，桥宽40.5 m。奇龙大桥总体布置图如图1所示。斜拉桥采用独塔双索面结构，主塔造型为菱形，主梁为混合式箱形梁。其中：主跨采用钢箱梁，边跨采用混凝土梁，钢混结合段设在主跨距离主塔15 m处。拉索采用空间双索面布置，全桥共40对、80根斜拉索，拉索水平倾角230~ 740。斜拉索与钢箱梁之间采用悬臂式钢锚箱，全焊接的连接方式。根据拉索与主梁夹角以及拉索大小的不同，将主梁20对钢锚箱划分为M1、M2、M3和M4 4种类型。

1钢锚箱的特殊性

 主梁钢锚箱主要由锚垫板M1、承压板M2以及2块锚固板M3、M4组成。锚固板上下各有3条加劲助M6，锚固板之间设有2块大的加劲板M5，分别在锚管的两侧。腹板在箱梁内侧与锚箱对应的位置设有加劲肋板。钢锚箱构造如图2所示。

 由于主塔造型为菱形，拉索与钢主梁的锚固夹角除受拉索沿顺桥向锚固影响外，还受主塔在索塔锚固位置处横向倾斜的影响，即每个拉索在主梁锚同处的空间呈3D变化。另外，主梁锚固处拉索在横桥向投影角度为6.6950~ 8.0460。为使斜拉索索力更好地传递到主梁外腹板上，设计时尽量减小拉索平面与主梁外腹板夹角，将主梁外腹板向主梁中心方向倾斜7.50。再考虑拉索角度空间变化、主梁外腹板倾斜及主桥纵坡的变化，使主梁钢锚箱的设计变得极其复杂，设计工作量非常大。

2钢锚箱参数化设计

 奇龙大桥钢主梁共设置20对钢锚箱，为提高钢锚箱各主要板件设计的精度、减小工作量，主梁钢锚箱采用参数化设计，将要素归类并变成某个函数的变量，设计函数变量间的关系，通过改变函数变量的不同取值得到不同的函数结果。

2.1参数化设计思路

 钢主梁锚箱参数化设计分2个模块。模块一：坐标系统转换。假定拉索在主梁上的理论锚固点是固定的（见图3），拉索与主梁桥面板的交点，即拉索出梁点位置应考虑主梁纵坡变化的影响。另外，由于主梁腹板倾斜角为拉索横桥向倾斜投影角度的平均值，即每个锚箱的锚垫板与腹板并非垂直，2块锚固板也为异形。综上，若要利用拉索的坐标参数描述钢锚箱在主梁相对位置及主要板件异形尺寸，需将计算得到主梁锚同点处的坐标系统转换为主梁纵坡和腹板倾斜影响的坐标系统。模块二：锚箱相对位置及主要锚固板件尺寸计算。根据

模块一转换坐标系统后的坐标参数及投影角度，计算拉索梁点位置及钢锚箱主要板件尺寸。

2.2主要实现过程及成果

 1)模块一，坐标系统转换的具体实现过程如下。

 (1)步骤一：将拉索在总体坐标系（见图4）下的各平面投影夹角转换到以锚固处主梁实际纵坡为水平面坐标系统下的各平面投影夹角，即将坐标系统绕y轴（横桥向）旋转坐标系统，并通过公式转换得到拉索在新的坐标系统下的各投影坐标（见图5）。

夹角转换公式见式(1)~式(4)。

 (2)步骤二：将拉索在操作步骤一后得到的坐标系统内的角度投影到腹板平面内，即将坐标系统绕X轴（桥面板顺桥向）旋转，通过公式转换得到拉索在新的坐标系统下的各投影坐标（见图6）。

夹角转换公式见式(5)~式(8)。

 2)模块二，拉索出梁点位置及钢锚箱主要板件尺寸的具体实现过程如下。

 (1)步骤一：计算拉索出梁点相对坐标，即为拉索中心到理论锚固点在主梁平面的投影位置。由于理论锚固点到顶板和外腹板的距离为定值，故不同钢锚箱出梁点的相对位置只与拉索在“纵坡坐标系统”内的投影角度有关。以M2～M4锚箱为例，通过EXCE1将上述参数作为变量并编制公式即可得到不同钢锚箱相对出梁点坐标及部分加劲板尺寸数据。其计算结果如表1所示。 

 (2)步骤二：钢锚箱主要板件尺寸参数化设计。由锚箱构造示意图及设计假定可知，锚垫板、锚固板、索管长度及加劲板等尺寸的变化部分均可通过拉索在各转换坐标系内的投影角度、公式计算得到。以26～28拉索为例，其主要板件参数计算结果如表2、3所示。

3锚箱受力分析

  本项目主梁钢锚箱锚固板件较多，焊缝交错，荷载作用下局部应力较大、传力复杂，因此需建立有限元模型进行受力分析，以验证锚箱各板件传力是否流畅，厚度取值是否合理。

3.1建立模型

3,2主要板件应力结果

  通过对钢锚箱及腹板的计算分析后，得到如下结论。

 1)作为锚箱从锚垫板到腹板的主要传力板件，M3和M4加劲板的Mises最大应力为160 M Pa。加劲板端部与锚垫板接触的位置最大，与腹板连接侧沿着远离锚垫板的方向为逐渐减小。

 2) M5加劲板在与锚垫板接触的位置应力水平较高，沿着锚管传力方向逐渐减小，即加劲板将端部压力均匀连续传递到M3、M4上。

 3) Ml、M2板等效部分应力水平不高，即拉索力较为均匀扩散到其后的加劲板上。Ml板与腹板交接处存在最大为199 M Pa的应力集中，但考虑锚垫板不是主要传力构件，且应力重叠后应力水平下降，但是可以接受，钢锚箱加T时应严格控制此处焊接质量，主梁外腹板选择抗层状撕裂的Z向钢板。

 4)腹板的锚垫板最大Mises应力为171 M Pa，集中在与锚垫板Ml交接处，但应力快速扩散减小。腹板应力在锚垫板后沿着与M3、M4板交接线逐渐减小，其递减规律与加劲板M3、M4 -致。

4结语

 1)通过整体坐标系的转换，以及编制相关板件的参数方程，实现将构造复杂且数量较多的空间钢锚箱参数化设计，大大减少工作量，提高设计精度。

2)通过建立空间有限元模型，明确钢锚箱至

  3)由于钢锚箱构造较为复杂，传力途经环环相扣，部分连接处存在较大的应力集中，制作时应确保焊接质量，保证钢锚箱传力的安全可靠。