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摘要：以某单线铁路1座64m简支钢管混凝土系杆拱桥为研究对象，就吊杆下锚箱这一主要传力结构进行受力性能分析。采用ANSYS软件建立了梁-壳单元结合的有限元模型，分析了原设计方案的传力机理和吊杆下锚箱不同部位构件的受力情况。针对出现的应力集中现象严重的问题，提出了4种不同的优化方案，并定量比较了4种不同方案的优化效果。结果表明，增加传力钢筋的数量可显著改善结构的受力性能，不同部位构件最大应力的减小程度均在23%以上。
关键词：系杆拱；锚箱；应力集中；优化
在桥梁结构形式的比选过程中，由于拱桥具有外形优美、承载力大、跨越能力强的优点，因此被广泛使用[1]。系杆拱桥属于无推力结构，一般为外部静定、内部超静定，且对地基的要求低，跨越能力强[2]，因此在地基条件较差的线路中被广泛使用[3~5]。此外，钢管混凝土等新材料新结构的出现，加速了系杆拱桥的发展。
锚固区作为系杆拱桥、斜拉桥、悬索桥等桥梁中一个及其重要的受力构件，其作用是将吊杆所传来的巨大拉力均匀、可靠地传递给主梁混凝土或钢箱梁，因此需对锚固区结构的应力状态给予很大程度的关注[6]。为了清楚的了解锚箱在吊杆拉力下的受力状态，相关学者做了大量的研究：文献[7]以沌口长江公路大桥的索梁锚固区的钢锚箱进行了连接构造的关键设计参数分析，并提出了响应的优化方案；文献[8]就某跨径55m的预应力混凝土系杆拱桥拱肋吊杆锚固结构的力学相关性能进行了分析，提出了改进措施；文献[9]建立了双塔双索面斜拉桥的斜拉索-主梁锚固区的节段有限元模型，分析了最大索力下钢锚箱的应力分布，基于分析结果对锚箱结构进行了优化。
本文以某新建铁路上1座64m的简支钢管混凝土系杆拱桥为工程背景，采用通用有限元分析软件ANSYS建立有限元模型，就吊杆下锚箱结构的在最不利的受力工况下的受力性能进行有限元仿真分析，在此基础上提出锚箱结构的4种优化设计方案方案，并就不同方案的优化效果进行对比分析，最终通过比选确定出最优的设计方案。该论文的研究结果可为同类结构的设计提供一定参考价值。
1 工程概况
某简支系杆拱桥立面图如下图1所示，计算跨径64m，梁长65.4m，矢高12.8m，矢跨比1/5。主梁采用箱型截面，拱肋为钢管混凝土结构，哑铃型截面。拱肋与主梁的刚度比为1/18.16，属于刚性系梁刚性拱。全桥共设11对吊杆，除拱脚至第一根吊杆间距为8.0m外，其余吊杆中心间距均为4.8m。
吊杆下锚箱构造如图2所示，N1~N4钢板采用Q345qE，各钢板尺寸分别为：1345×345×26（mm）、348×340×30（mm）、348×222×30（mm）、214×150×20（mm）；N5采用HRB400钢筋，直径为25mm，长度为700mm；侧盖板N6（图中未示出）采用Q235钢板，厚度为4mm。主要受力构件由钢板N1~N4焊接而成。
图2 吊杆下锚箱构造示意图（单位：mm）
2 有限元仿真模型建立
2.1 单元选择及模型建立
图3 有限元模型图
采用大型通用有限元分析软件ANSYS建立分析模型。钢板N1~N4采用四节点壳单元shell63来模拟，Shell63单元每个节点具有3个平动自由度和3个转动自由度，可以承受平面内荷载和法向荷载。对于钢筋N5的模拟，考虑到其主要承受由N1板在开孔位置传递的向上的荷载以及混凝土对其变形的约束作用，可视为承受集中荷载的梁结构，故用两节点三维线形梁单元Beam188单元模拟，仅考虑其3个平动自由度和3个转动自由度，不考虑其翘曲量[10]。
由于Beam188单元和Shell63单元具有相同的自由度和自由度数目，且在开孔位置具有公共节点，故不需要约束方程和耦合自由度。此外，由于钢板N6为非主要的受力结构，故建模中不予考虑。最终建立的有限元模型节点共69432个，单元共69156个，划分网格后的有限元模型如下图3所示。
2.2 荷载及边界条件
根据前期计算，该系杆拱桥在使用过程中吊杆所承受的最大拉力F为1480.22kN，该拉力通过球型支座传递给图2中所示的N2钢板。根据图2可知N2钢板的受力面积A为0.0264m2，故计算时在模型中N2钢板相应的受力范围内施加面荷载，面荷载集度P为：P=F/A=56091kN/m2。
因为本文着重分析钢板N1与钢筋N5相交位置附近（应力集中显现最为明显）以及凸台以上部分的受力情况，故忽略NI钢板和混凝土之间的粘结力，将吊杆传来的拉力假设全部通过N1钢板传递给钢筋N5，再由钢筋N5传递给混凝土。受力过程中可假定距N1一定距离外（本文取10cm）的N5钢筋由于混凝土的约束作用不发生相对于N1钢板的相对变形，故在不发生相对位移的N5钢筋部位至N5钢筋端头部分施加固定约束。
3 应力结果分析及优化
3.1 原设计方案应力分布
提取原设计方案有限元模型中钢板N1~N4的最大Von Mises等效应力分布云图，如下图4所示。
图4 吊杆下锚箱应力分布云图
从上图中可以看出，钢板N1的最大应力出现在与最上层钢筋相交位置处，为378MPa，分布范围较小，呈现出高度的应力集中现象，且相交位置处的应力由上至下依次减小；钢板N2的最大应力出现在与钢板N3相交位置处，为270MPa；N3和N4钢板的最大应力均出现在与钢板N2的相交位置处，分别为290MPa和292MPa。
3.2 优化方案及优化效果分析
从3.1节分析可看出，最不利荷载作用下，原设计方案的吊杆下锚箱将在钢板与钢筋的相交位置附近出现高度的应力集中现象，亦为最大应力所在位置。由于出现最大应力的这部分结构是深埋在混凝土中的，随着循环荷载的作用以及钢材的锈蚀，很容易在应力集中部位发生破坏，且难以察觉。
为了减小钢板与钢筋的相交位置附近的应力集中程度，从分摊受力以及施工便捷的角度出发，考虑通过增设钢筋的数量来改善钢板的受力情况。依据增加的钢筋数量和位置的不同，提出4种优化方案。不同方案增加的钢筋数量及位置布置如下图?所示。
根据优化方案依次建立有限元模型，分别提取不同优化方案下有限元模型中钢板N1~N4的最大Von Mises等效应力分布云图。通过对比分析，仅钢板N1的应力分布有较大变化，不同优化方案下的钢板N1应力分布云图如下图6所示。其余钢板在不同优化方案下，应力分布与原设计方案相近，可参考图4（b）~4（d），仅应力值发生变化，限于篇幅再此不再单独示意。
图5 优化方案示意图
图6 不同优化方案下钢板N1应力分布云图
为了定量对比不同优化方案下钢板N1最大应力的变化情况，根据下式计算不同方案的优化率，计算结果见图7。
图7 不同方案优化率变化
结合图4（a）和图6中可看出，随着布置的钢筋N5数量的增多，钢板N1位于混凝土中的部分应力分布发生较大变化，总体趋势是出现应力集中的位置增多，但是应力集中的程度（应力值）显著减小，应力分布更加均匀。
从图7中可以看出，增加不同数量的钢筋N5，对钢板N2~N4的最大Von Mises应力变化的影响相同，方案1~4均较原设计方案分别减小30.95%、25.93%、28.04%。而钢板N1的最大Von Mises应力随着钢筋数量N5的增多而减小，方案1~4较原设计方案可分别减小11.64%、17.46%、21.16%、23.81%。
原设计方案钢板N1~N4的最大Von Mises等效应力分别为378MPa、270MPa、290MPa、292MPa，最大应力差值为108MPa。方案四下，钢板N1~N4的最大Von Mises等效应力分别为288MPa、261MPa、280MPa、272MPa，最大应力差值为27MPa。
综合比较，本文提出的优化方案4，不仅可以显著减小各钢板的最大应力，同时还可使得钢板N1的受力更加均匀，有效降低了应力集中程度，整个下锚箱结构的受力更加合理。
4 结论
本文针对某新建铁路1座64m的简支钢管混凝土系杆拱桥的吊杆下锚箱的结构形式，通过有限元分析软件ANSYS建立了梁-壳单元模型，分析了该锚箱在最大拉力作用下不同部位的受力机理，并提出相应的优化措施。通过对原设计方案和不同优化方案计算结果的对比分析，得到以下结论：
（1）原设计方案的吊杆下锚箱在承受最大拉力作用时，最大Von mises等效应力出现在位于主梁中的承拉钢板N1和承弯钢筋N5相交位置附近，且应力集中程度严重。
（2）承弯钢板N2的最大Von mises等效应力出现在与钢板N3的相交位置处，钢板N3、N4的最大Von mises等效应力出现在与钢板N2的相交位置处，且均为焊缝所在位置，故需严格控制该位置处的焊缝质量，保证结构受力的可靠性。
（3）通过比较优化方案1~4可发现，增加锚箱上钢筋的数量，对除钢板N1外的其他构件的最大应力的变化无影响。
（4）本文所提出的第4种优化方案，可使钢板N1~N4的最大Von Mises等效应力分别减小23%以上，使得吊杆下锚箱的应力集中程度显著减小，受力更加均匀，整个结构的受力更加合理。
参考文献
[1]郁金星.地震动输入方式对铁路大跨系杆拱桥地震反应的影响[J].铁道建筑，2014（04）：24-26.
[2]金成棣．预应力混凝土梁拱组合桥梁：设计研究与实践[M].北京：人民交通出版社.2001.
[3]杨正华.兰新高速铁路128 m简支系杆拱设计[J].铁道标准设计，2018，62（07）：74-81.
[4]孙广俊，李正嘉，章世祥，武建.结构损伤对系杆拱桥结构性能的影响研究[J].桥梁建设，2018，48（02）：61-66.
[5]王振宇，刘世忠，谢兴定，白彦辉，杨少波.跨度128 m高速铁路系杆拱桥拱肋拟合预拱度研究[J].铁道建筑，2018，58（10）：24-26.
[6]欧阳青，赵国虎，齐宏学.独塔斜拉自锚式悬索桥吊杆锚固区有限元仿真分析[J].中外公路，2017，37（04）：161-164.
[7]付坤，黄郁林，姚进，孙远.沌口长江公路大桥索梁锚固区钢锚箱结构设计优化[J].土木工程与管理学报，2018，35（02）：140-147.
[8]王晓明，袁远，郝宪武.RC系杆拱桥拱肋吊杆锚固结构力学性能分析与优化[J].铁道建筑，2013（07）：8-9.
[9]叶建龙，何为，严伟飞，吴向阳.鳌江特大桥索梁锚固区受力分析及结构优化[J].桥梁建设，2017，47（02）：54-59.
[10]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社.2007.10.
论文作者:展宗宝
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年7期
论文发表时间:2019/7/22
标签：应力论文; 钢板论文; 吊杆论文; 钢筋论文; 拱桥论文; 受力论文; 方案论文; 《建筑学研究前沿》2019年7期论文;