大跨度钢箱梁斜拉桥索梁锚固结构型式的比较研究

1 引 言   
现代斜拉桥自1955 年瑞典的Stromsund 桥以来，在不到半个世纪内，跨径已由182.6m发展到890m（日本多多罗大桥）。发展如此迅速，固然与设计理论和计算技术的提高有必然联系，同时，与正交异性板流线型扁平钢箱梁技术的日益成熟是分不开的。随着跨径的增大，为了减轻桥梁主跨自重，或平衡主跨与边跨的自重差，主跨往往采用钢箱梁。目前，世界上最大跨度的两座斜拉桥—多多罗大桥、诺曼底大桥的主梁均为边跨混凝土梁、中跨钢箱梁。因此，钢箱梁在大跨度斜拉桥主梁中占有十分重要的地位。   
2 [9 T% Z& N- z, ^采用钢箱梁作为斜拉桥主梁时，斜拉索与钢箱梁之间的锚固连接处理是设计的关键问题之一。索梁锚固结构是一个局部应力大、传力复杂的区域，它要将从斜拉索传递来的巨大索力分散到主梁截面。设计时应尽量使力线流畅，避免出现过大的应力集中现象，否则，在长期动载和静载作用下，可能出现疲劳或强度破坏。   
1 c! j! K- \1 \7 L  K8 E) d目前，大跨度钢箱梁斜拉桥中常见的索梁锚固型式主要有以下4 种：(1) 锚箱式（承压式）连接；(2) 耳板式（销铰式）连接；(3) 锚管式连接；(4) 锚拉板连接。   
3 ]% S* u+ x$ }% c8 h6 c锚箱式（承压式）连接是设置锚固梁（块），将锚固梁（块）用焊接或高强螺栓与主梁连接，斜拉索锚固在锚固梁（块）上；也有将主梁外伸出牛腿作为锚固梁。由于锚固梁（块）在多个方向需要补强，在设计时一般做成锚箱。日本的六甲大桥、柜石岛大桥、多多罗大桥、我国南京长江二桥等都采用了这种锚固型式。多多罗大桥[2]的索梁连接如图1 所示。   
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耳板式连接也称为销铰式连接，它由主梁的腹板向上伸出一块耳板，斜拉索通过铰或钢管锚固在耳板上；索力直接由耳板传给主梁的腹板。比较典型的如法国的诺曼底大桥（见图2）。
   
锚管式连接是在主梁或纵梁的腹板上安装一根钢管，斜拉索锚固于钢管，索力通过钢管传递给主梁或纵梁的腹板。日本的名港西大桥、生口大桥以及我国的广东汕头宕石大桥均采用了这种连接。图3 给出了日本生口桥锚管式连接的示意图。
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锚拉板连接是将钢板作为锚拉板，锚拉板由上、中、下三部分组成：锚拉板上部开槽，槽口内侧焊于锚管外侧，斜拉索穿过锚管并用锚具锚固在锚管底部；锚拉板下部直接用焊缝与主梁上翼板焊接；锚拉板中部除了满足安装锚具的空间需要之外，还需连接上、下两部分。为了补偿开槽部分对锚拉板截面的削弱，以及增强其横向刚度与整体性，锚拉板的两侧焊接加劲板。另外，为确保索力均匀地传给主梁，与锚拉板连接区域的主梁上翼板加厚，钢主梁腹板增设加劲板。采用这种连接方式的有加拿大的安纳西斯桥和我国福建青州闽江大桥（见图4）。湛江海湾大桥的索梁锚固结构也采用这种连接。

西南交通大学土木工程学院于1996 年承担了汕头宕石大桥锚管式索梁锚固结构的静载试验项目，1999 年~2000 年先后承担了南京长江二桥南汊桥耳板式索梁锚固结构、锚箱式索梁锚固结构[8]的静载与疲劳试验项目。本文结合近年来我们承担上述试验项目的研究成果，以及对青州闽江大桥索梁锚固结构的有限元空间分析结果，对大跨度钢箱梁斜拉桥索梁锚固结构的4 种连接进行分析与比较，着重讨论了各种连接的传力机理、应力分布、应力集中现象，以及改善应力分布、减小应力集中现象的一些措施，为大跨度钢箱梁斜拉桥的设计提供参考。   
2 锚箱式连接   
南 京 长 江 二桥南汊桥为5 跨流线型钢箱梁斜拉桥， 桥跨布置为58.5+246.5+628+246.5+58.5m，斜拉索最大索力达6000kN左右。该桥的索梁锚固结构最初设计为耳板式连接，后来由于材料供应困难，实桥中采用的是锚箱式连接。西南交通大学土木工程学院先后对上述两种锚固结构进行足尺比例模型试验。   
南京长江二桥南汊桥锚箱式索梁锚固结构如图5 所示，锚箱主要由两块承压板（N1、N2 板）与一块底板（N3 板）组成，每块承压板的外侧各设有三片加劲板（N5 板），两承压板之间上下设U 形加劲板（N4 板），斜拉索穿过底板中央圆孔锚固在底板。底板设有垫板。   
1 g) x% K6 A6 \$ r9 A+ r& f 进行静载试验时，采用1：1 的试件。模型主体钢材为16Mnq 钢，底座及顶板上的吊钩钢材为16Mn 钢。试件与锚箱实际结构的差别是将顶板、底板的“U”形加劲肋改为钢板加劲肋；为了方便加载，将节段直立，见图6。   
* ]  b9 I7 W  R2 R/ T" H 试验贴应变花130 个，应变片39 个，分别贴于腹板、腹板加劲肋、横隔板以及锚箱的侧板、底板和加劲板上。试验荷载分三种工况：工况I 和工况II 荷载值的4 倍对应于最大设计索力作用时，边索两端主梁上的轴力与最大设计索力沿桥轴向的分力相平衡的状态；工况III 对应于1.7 倍最大索力作用。   
试验结果表明：   
- T' ]/ x, E8 M) O1 C5 c(1) 在锚箱多块板件焊缝附近，都出现了应力集中现象。   
(2) 荷载作用下，腹板在锚箱底板附近区域的应力较大，并以靠近焊缝的测点为中心向四周扩散；工况II 和III 荷载作用下，靠近焊缝的某个测点处的最大主应力、等效应力均超过了容许应力；   
(3) 底板N3 受力比较复杂，板内既有弯曲应力，也有挤压应力。在工况II 作用下，锚箱底板的应力值均小于容许强度；加力圆环附近的测点应力值较高，其余各点应力值较低；   
; z7 ~9 O9 r$ T1 |. D: y& T4 ]% v* c; `(4) U 型加劲板N4 在工况II 和工况III 的1.4 倍设计荷载下，应力也均低于容许应力，从应力分布来看，靠近底板处应力较大，向上沿锚箱轴线方向降低。   
( B; L  R7 J- K+ T7 ?% r2 U& l(5) 承压板N1 和N2 的应力均能满足强度要求，而纵向各三排测点的应力都是靠近底板处的应力值大，沿锚箱轴线方向向上逐渐减小，规律明显。   
; q# c) |! d) M% c, p/ @(6) 从传力途径来看，由斜拉索传来的巨大压力通过底板、承压板与腹板的连接焊缝，以剪力的形式传递到钢箱梁腹板。   
为了与试验结果进行对比，同时采用ALGOR 软件用板单元建立锚箱式索梁锚固区的有限元空间分析模型，计算各工况下的应力分布。理论计算与试验结果基本吻合，从各板件的主应力分布图可以看出：腹板、底板、加劲板以及承压板上都出现了不同程度的应力集中。因此，在设计时需要特别注意。受焊缝的影响，焊缝附近少数测点的应力试验值与计算值相差略大，因此，施工时应严格保证焊缝质量。   
3 耳板式连接   
8 t) m. E% C  C4 E7 G# X南京长江二桥南汊桥耳板式索梁锚固连接的构造如图7 所示。西南交通大学土木工程学院采用1：2 的模型对该索梁锚固结构进行静载试验。具体制作试件时，在对应力分布无显著影响的前提下对试件作局部修改，耳板与斜腹板连接处的高强螺栓由6 排19 列改变为4排19 列，螺栓直径改为20mm。试件由铁道部宝鸡桥梁厂制造。试件耳板采用38mm 厚的07MnCrMoVR 钢板，销轴采用φ99.7 的40Cr，高强螺栓采用φ20 的20 MnTiB。   

试件及加载体系见图8。试验设计等效荷载考虑两种工况，分别对应于设计荷载和设计荷载的1.7 倍。   
! K6 w! N4 `; G5 ]8 ~- T试验结果[7]表明：   
; H8 k8 |+ e# t2 a(1) 耳板在主梁腹板以上部分的应力比在腹板以内部分的应力大；由于销轴对孔壁的挤压，形成巨大的局部压力，因此，耳板销孔前半周的应力最大。在1.4 倍设计荷载作用下，该处开始进入屈服；   
: ^0 e: l) R, k$ ?0 a/ D6 L" V(2) 耳板在腹板以上部分远离销孔侧，应力分布较均匀，沿斜拉索方向逐渐增大的趋势，但变化较缓慢；耳板在腹板以内部分，应力分布总体呈现从左至右，从下向上逐步增大的趋势，表明力通过高强螺栓，逐渐由耳板向腹板传递；   
7 p- `9 F6 F1 z) R(3) 由于索力偏离耳板形心，存在一个附加扭矩，使耳板在主梁腹板以内部分的左下角和右上角的应力比中部大；在耳板与腹板交界位置附近，第1 行螺栓前的应力变化不大，而到第2 行螺栓前，应力平均衰减达50%；   
- C! \& s! [- |(4) 根据加载历程，在材料的弹性范围内，耳板的应力并不随外荷载按比例地增长。   
4 Q5 m( E3 ]; j# V5 }* V* }$ }  ^(5) 主梁腹板上的应力在耳板周边位置处，特别在耳板前后边缘处明显比其它地方处大；同时，耳板后面部分的应力要比耳板前面部分的应力大；腹板应力从上到下逐渐减小。从试验结果来看，腹板的强度满足设计要求。   
(6) 主梁顶板靠近腹板的边缘处应力较大，耳板范围内顶板边缘的应力最大；应力纵向沿拉索的方向逐渐减小；横向从边缘向里逐渐减小；顶板的强度满足设计要求。   
(7) 主梁底板总体应力水平不高，底板外缘的应力纵向沿斜拉索方向逐渐减小；   
(8) 主梁横隔板所在截面上，底板应力在中部较大，两边较小。横隔板上，靠近腹板附近的应力较大，且在腹板和底板交界处的应力最大；总体应力水平较低，强度满足设计要求。同时，采用ALGOR 软件对纵向长24m、横向取箱梁半宽的节段建立有限元空间分析模型，耳板、斜腹板、顶板、底板以及横隔板都采用板单元来模拟，理论计算结果显示与试验值吻合良好。图9 给出了在1.0 倍设计荷载作用下，理论计算得到的耳板的最大主应力分布，图10 为腹板相应的最大主应力分布。从计算结果可以看出，由计算和试验得到的各板件应力的分布规律、变化趋势大致相同。   
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4 锚管式连接   
  h: C# ~2 z, G; J$ L汕头宕石大桥主桥为双塔混合梁斜拉桥，主跨518m，其斜拉索与钢箱梁的锚固采用锚管式连接。西南交通大学土木工程学院1996 年对该索梁锚固结构进行了静载试验。试验采用1:2 试件，在不明显影响应力分布的前提下，对试件作了局部修改（如图11 所示）。试件由宝鸡桥梁厂制造，焊接工艺尽可能与实桥一致。试件材料除角钢和闭口肋用16Mn 钢，锚管用Q235-A 钢外，其余构件均用16Mnq 钢。锚管外径203mm，壁厚12mm。试验荷载包括两种工况。   
试验结果表明，所有构件都有足够的抗剪强度及其安全度；在工况I 下，钢箱梁腹板具有足够的抗压强度，在工况II 下，抗压强度稍显不足，可对主梁腹板作适当的加强。同时，腹板在工况II 下，锚管在工况I 下，等效抗压强度稍显不足，其安全系数均为1.61，而其余构件的安全系数均大于 1.71，具有足够的等效抗压强度。   
从应力分布来看，钢箱梁腹板左板左端中部应力最大，上部应力大于下部应力，右上尖角应力较大；右板右端中部应力最大，下部应力大于上部应力，左下尖角应力较大。上、下盖板外侧边应力最大，内侧边应力最小，上、下盖板与锚管焊接的椭圆周区域的应力适中，但是前方半周的应力大于后方半周的应力。斜拉索作用端锚管的应力较大，并沿锚管轴向逐渐变小。锚管上方焊缝内、外侧的应力较小，锚管最外侧和最内侧应力最大。锚管下方焊缝内、外侧的应力略小于锚管最内、最外侧的应力。横梁腹板是面内受压、面内外受弯的构件，应力变化比较复杂。最大应力出现在横梁腹板椭圆洞附近。   
+ G( Z8 k4 R1 W$ P0 S从传力的途径来看，在工况I 下，钢箱梁腹板、上盖板和下盖板基本承担了相同的水平压力，约为23%，锚管也传递部分水平压力，约为19%，纵向加劲肋传递了10%的水平压力。这种分配比例，避免了压力过于集中作用在某一构件上，对防止构件受压失稳十分有利。   
5 锚拉板连接   
0 E$ R# f2 H& g* O福建青州闽江大桥为双塔双索面结合梁斜拉桥，主跨为605m。斜拉索在主梁上的锚固采用锚拉板连接。如前所述，锚拉板连接在焊缝处荷载应力和焊接残余应力集中现象比较严重。文献[9]对闽江大桥斜拉索角度最大和最小的锚拉板结构作了空间非线性有限元分析，并对主梁顶部翼板的抗疲劳性能进行试验。   
分析计算结果表明，锚拉板应力集中较为严重，特别在焊缝根部应力集中最为严重，初始屈服荷载很低，在锚拉板上部焊缝根部首先出现塑性区；锚拉板上部在焊缝附近主要受剪应力作用，拉应力几乎为零；等效应力和剪应力由下而上、由内向外下降得很快，拉应力由内向外急剧增大。锚拉板中部主要受拉，剪应力几乎为零。锚拉板底部受竖向拉应力、纵向剪应力以及纵向拉应力共同作用，应力状态复杂。锚拉板的极限承载力约为设计荷载的1.96 倍。   
: Q' U+ n% C6 P2 K5 [9 g6 j$ k锚拉板式连接中的各个板件间的连接焊缝起作很重要的传力作用，因此，在制造过程中对焊缝的质量有严格的要求。为了验证焊缝抗拉伸和抗疲劳性能，对构造进行了静载和疲劳试验。在设计疲劳应力幅下，经200 万次不间断重复加载，试件没有发生破坏。   
/ X+ x, k" l2 ?7 S/ G* O6 几种连接型式的比较   
通过对上述4 种索梁锚固结构连接型式的静载试验和理论计算的比较研究，可以得到以下几点：   
(1) 从试验和计算结果来看，上述4 种连接的强度以及传力性能均能满足设计要求。锚箱式连接的最大应力发生腹板位于锚箱底板外侧的区域上；耳板式连接在耳板销孔附近有极大的局部应力；锚管式连接中主梁腹板和锚管承受较大的压应力；锚拉板式连接在上部焊缝根部较早出现塑性区。设计时如果充分考虑这些板件或区域的受力特征，采取局部补强或采用高强钢材等措施，上述几种连接型式均适用于大跨度钢箱梁斜拉桥。   
( [6 T1 A. r% y6 _, M3 _5 E(2) 从连接型式的构造来看，锚箱式连接板件较多，耳板式连接构造最简单，锚管式与锚拉板连接介于两者之间。锚箱式连接的构造包括两块承压板、底板、承压板上两侧的加劲板、两承压板之间U 形加劲板、底板上的垫板等；耳板式连接只需用高强螺栓将耳板与钢箱梁的腹板相连接；锚管式连接是将锚管嵌入钢箱梁的边腹板中，并焊接为一个整体；锚拉板连接则使用锚拉板将锚管与主梁上翼缘相连接，其构件包括锚拉板、锚管以及锚拉板两侧的加劲板。   
2 |3 M0 R% f2 g9 D(3) 从传力途径来看，构造简单、板件较少的连接型式的传力途径，要比构造复杂的连接型式简洁、流畅。锚箱式连接的传力途径是通过斜拉索将巨大的索力传递到锚箱底板，底板将力分别传递给承压板（锚箱侧板）和腹板；承压板上的力通过侧焊缝传递给腹板；腹板上的力通过横隔板、顶板和底板，传递到整个截面。相比之下，耳板式连接的传力途径则相当简洁明了，由斜拉索传递来的巨大索力经过耳板，由高强螺栓以剪力的形式直接传递到钢箱梁的腹板。锚管式连接则是通过锚管与腹板间的焊缝，直接将索力传递给主梁腹板。锚拉板式连接是通过锚管与锚拉板间的焊缝，将索力传递到锚拉板；再通过锚拉板与钢箱梁翼缘顶面间的焊缝，将索力传递给钢箱梁。   
- j0 t$ W$ ]3 r# `# _(4) 从应力的分布来看，几种连接型式都出现了应力集中现象。不同的连接型式，出现应力集中的位置和应力集中的程度各不相同。锚箱式连接中，受力焊缝附近的腹板、底板、加劲板以及承压板均出现了应力集中，其中，以腹板最为严重；耳板式连接中，由于销轴对销孔壁的挤压，在孔壁形成了巨大的局部压力；锚管式连接中钢箱梁腹板、锚管在接触挤压处出现应力集中；锚拉板式连接中，锚拉板在焊缝附近出现较为严重的应力集中。   
8 k/ V$ m' W4 j3 v( _" [由于4 种索梁锚固结构的构造、传力途径以及出现应力集中的位置等不同，相应可能出现的破坏部位及机理亦不相同。对于锚箱式连接，由于应力集中出现在受力焊缝附近的腹板、底板、加劲板以及承压板上，并以主梁腹板最为严重，因此在这些地方可能出现局部失稳或强度破坏；耳板式连接中的销轴和孔壁接触处以及锚管式连接中钢箱梁腹板、锚管在接触挤压处均有较大的压应力集中，在这些地方可能出现局部受压失稳或材料屈服；锚拉板式连接中，锚拉板在焊缝附近出现较为严重的拉应力集中，而可能导致锚拉板以及焊缝出现受拉强度破坏。   
5 N" f' D) R' _- m8 C! M(5) 从对材料的要求来看，锚箱式、锚管式、锚拉板连接均不需要特殊钢材，对钢材的性能也没有特别的要求；而耳板式连接中，由于耳板在销孔附近局部应力极大，因此要求钢材具有很高的屈服强度。南京长江二桥耳板式连接静载试验中采用了38mm 的07MnCrMoVR 钢板，实际桥梁设计中耳板厚度达80mm，这在制造工艺上是很困难的。   
(6) 针对各种不同锚固型式的受力特点以及出现最大局部应力的位置，设计要点不同。在板件间使用焊缝的锚固型式中，主要受力焊缝的设计以及施工质量至关重要。锚箱式连接中底板、侧板与腹板连接的焊缝，锚管式连接中锚管与钢箱梁的连接焊缝，以及锚拉板式连接中锚拉板与锚管的侧焊缝和锚拉板与箱梁上翼缘的连接焊缝都是传力的关键部位，需要特别关注。另外，由于应力集中，主要受力构件也需要特别设计，以满足强度要求。从上面试验和分析的结果来看，各种索梁锚固结构中存在的诸如局部强度不足或较严重的应力集中等问题，均可通过采用高强钢材、或增加板件厚度、或改善构造细节等措施来加以解决。如青州闽江大桥锚拉板连接中，通过增加锚拉板与锚管的厚度、增大槽口根部圆弧半径等措施，达到缓解应力集中、减小锚拉板上塑性区的目的。   
2 C1 C  c  q/ L+ H9 y5 k2 i(7) 在桥梁长期运营中的维护和检查中，针对不同连接型式可能出现的破坏，对受力较为不利的板件和部位需要进行特别的监护。相比而言，构造复杂的索梁锚固连接要求更高的制造工艺和制造成本，而且给以后使用过程中的检查、维修造成不便。如锚箱式连接和锚管式连接这两种连接，其制造工艺要明显比耳板式连接要复杂；而且由于构件较多，进行监护、检查较为麻烦，构件之间的连接部位、锚管和锚箱内往往容易积水，导致构件锈蚀，影响锚固结构使用寿命；一旦锚固结构出现局部破坏，维修、更换工作难度较大。反过来，耳板式连接由于构造简单，其制造和安装成本相对要低，同时由于构件较少，检查、维修、更换起来方便；因此，如果对锚固结构在进行局部修复或更换斜拉索，构造简单的连接如耳板式连接具有明显的优势。   
7 结 论   
( c" O* `! E3 L/ u本文结合南京长江二桥南汊桥、汕头宕石大桥索梁锚固结构的静载试验，以及青州闽江大桥索梁锚固结构的有限元空间分析，对大跨度钢箱梁斜拉桥索梁锚固结构的4 种常见连接—锚箱式连接、耳板式连接、锚管式连接和锚拉板式连接进行分析和比较，重点讨论了各种连接的传力机理、应力分布、应力集中现象，得到如下有益结论：   
(1) 四种索梁锚固结构型式均适用于大跨度钢箱梁斜拉桥，且各具特色。   
(2) 锚箱式连接板件较多，构造最复杂，而耳板式连接构造最简单，锚管式连接与锚拉板连接介于上述两者之间。   
(3) 锚箱式连接是通过锚箱底板、承压板将索力传递给钢箱梁腹板；耳板式连接是直接由耳板将索力传递到钢箱梁腹板；锚管式连接通过锚管与腹板间的焊缝直接将索力传递给主梁腹板；锚拉板式连接是通过锚拉板将索力传递给钢箱梁；   
- e, y/ W9 T1 C* r(4) 四种索梁锚固连接型式都出现了不同程度的应力集中现象，出现应力集中的部位有所不同；锚箱式连接以腹板的应力集中最为严重；耳板式连接往往在销孔壁形成了巨大的局部压力；锚管式连接往往在钢箱梁腹板与锚管接触挤压处出现应力集中；而锚拉板式连接往往在锚拉板焊缝处出现严重的应力集中。   
(5) 由于构造、传力途径以及出现应力集中的位置的不同，导致四种索梁锚固连接可能出现的破坏部位及机理亦不相同。   
# J3 n' ~# H! k(6) 锚箱式、锚管式、锚拉板连接均不需要特殊钢材，对钢材的性能没有特别的要求，而耳板式连接要求耳板钢材具有很高的屈服强度。   
* s  W' O+ k, Q9 e; j(7) 锚箱式、锚管式连接构造复杂，往往要求更高的制造工艺和制造成本，而且给日后使用过程中的检查、维修、更换造成不便。相比而言，构造简单的连接如耳板式连接具有明显的优势。   
& i, ~2 s3 i* O) X* M8 O(8) 在具体桥梁设计中，需要根据实际情况，包括材料的供给、施工工艺的难易程度以及桥梁的维护和修复等，综合考虑可行性、经济等诸多指标，来选取恰当的索梁锚固连接型式。   
参 考 文 献   
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我现在设计的是第三种，但横隔板施工比较麻烦。