大跨度斜拉桥斜拉索锚固结构的试验研究 陈开利
29
大跨度斜拉桥斜拉索锚固结构的试验研究
编译 陈开利
(中铁大桥局集团武汉桥科院有限公司, 湖北武汉430034)
摘 要:对于斜拉桥的斜拉索锚固结构, 必须认真研究其设计方法、制造方法以及疲劳性能等。针对两种斜拉索锚固结构(锚梁形式, 锚箱形式) , 讨论了足尺试件的制作方式, 并进行了静载试验、疲劳试验和有限元分析。通过疲劳试验, 测量了疲劳裂纹的发生发展以及分布, 探讨了产生疲劳裂纹的原因, 进而提出了通过变更端压板附近的构造细节来提高疲劳强度的建议。
关键词:斜拉桥; 斜拉索; 锚头; 疲劳试验中图分类号:U 443. 37; U 446. 1
文献标识码:A
文章编号:1671-7767(2004) 01-0029-09
译者的话
斜拉桥的索梁锚固区结构复杂、受力集中, 是控制设计的关键部位, 特别是该位置受活载作用引起的索力变化而产生的影响较大。所以, 对其进行静载强度和疲劳强度的研究是十分必要的。桥科院于1999年底和2003年先后对南京长江二桥、安庆长江大桥斜拉桥索梁锚固区进行了疲劳试验, 疲劳试验前还进行了静载试验。试验工作在从美国进口的M TS 大型疲劳试验机上进行, 疲劳试验荷载依据设计要求确定, 静载试验与疲劳试验的最大荷载采用相同数值。通过试验十分清楚地掌握了索梁锚固区的受力分布规律, 并充分地验证了结构设计的可靠性。
本译文所介绍的内容是译者所见到的最早、最详细研究索梁锚固区足尺模型试验的论文, 对国内类似工作具有很大的参考价值, 现译出供国内同行参考。0 前 言
斜拉索的锚固点是重要部位, 相当于主梁和索的节点, 巨大的索力由它传给主梁。对于锚固部位, 受索力的直接作用, 在活载作用下对索力变化产生较大的影响。所以, 疲劳强度的研究是必要的。为了抵抗强大的集中索力, 在设计时多采用厚板, 而且在小范围内有很多条焊缝, 因此必须确认其可施焊性。
大跨度斜拉桥的锚固结构, 如名港西大桥、生口桥等都用的是锚管形式。关于这种锚固形式的疲劳
特性, 生口桥已通过大型的疲劳试验得以认识。可是锚管形式的锚固结构在构造上, 其下端伸到主梁下翼外面。在大跨度斜拉桥为斜索面的情况下, 锚管就不能和腹板相适应, 锚管和腹板的焊接就必须作特别的研究。本试验是关于锚管以外锚固形式 主梁腹板外挂锚箱的锚固结构的两种不同形式索力传递方式的研究。
试验目的是研究足尺试件制造方法及通过疲劳试验把握其疲劳特性。分别对试件和对应的实桥节段进行有限元分析, 并进行比较。1 锚固结构及其设计方法
主梁为矩形断面的钢箱梁, 锚固部位(即锚箱) 设置在主梁的箱外, 而且在流线型外壳的内部。斜拉索锚固在支承板上。1. 1 梁式锚箱
梁式锚箱的构造如图1所示。构造上是在主梁外面伸出长度较短的箱形断面, 锚箱装在主梁的横隔板之间。这种形式, 斜拉索角度的不同可以通过改变支承板的角度来适应。主梁腹板和斜索锚头之间存在一个力臂, 由此产生了弯矩, 同时还有由索力引起的剪力。
在主梁腹板与梁式锚箱的连接设计中, 将索力分解为水平和垂直分力来考虑。水平分力由桥面板和锚箱下翼缘来承担, 弯矩由锚箱前翼缘组成的力偶来承担。
锚箱的腹板1、腹板2是为了将索力分散给腹板及周围的板, 另外为了加强锚箱的腹板, 还设置了
收稿日期:2003-09-16
编译者简介:陈开利(1955-) , 男, 高级工程师, 1978年毕业于西南交通大学, 先后从事桥梁的教学、科研、设计、监理等工作, 1985~1986年赴
30
世界桥梁
2004年第1期
通过锚板1、锚板2将索力以剪力的形式传递到主梁腹板, 其水平分力大部分由腹板来承担, 因伸出部分而产生的弯矩由支承板和桥面板所组成的力偶来分担。
这种锚固形式和锚管形式相似, 其特征为柱式锚箱各部分的作用更为明确。2 试件形状
这次试验是为多多罗大桥而进行的。以最外边
图1 梁式锚箱的构造示意
锚箱横隔板。1. 2 柱式锚箱
柱式锚箱的构造如图2所示。构造上是从主梁腹板伸出长度较小, 斜索方向长度较大的柱式结构。由于尽量压缩由主梁腹板向外伸出的长度, 所以主梁腹板和锚箱连接部位的弯矩将变小。在斜拉索方向由于有足够的连接(焊缝) 长度, 所以索力能流畅地传递到主梁,
这就是这种形式的特点。
斜拉索为研究对象, 斜拉索倾角为22 , 设计最大索力为P max =7820kN(其中由设计活载引起的索力P =1740kN) 。索断面为PWS 7mm ! 379根, 外径为405mm 。
梁式锚箱试件、柱式锚箱试件分别如图3、图4所示。为了下述的荷载试验的方便, 要求使支承板水平, 就将主梁倾斜地切断, 并加了与地梁连接的底板。
对于两种形式的试件, 为了有利于力的分散, 在主梁腹板的内侧设置加劲肋。对于梁式锚箱, 与锚箱下翼缘支承板相应的主梁腹板内部设置加劲肋, 与锚箱前翼缘相对应的主梁腹板内部的加劲板兼作横隔板。对于柱式锚箱, 主梁腹板在传递剪力的锚固板位置的内部不需加强, 但在支承板对应的位置, 须设置内部加强板。由弯矩产生的支承板内的拉力, 由此位置的内部加强板传递, 再经主梁腹板水平加劲肋传递到主梁横隔板。
锚固结构的尺寸、板厚、焊缝部位的细部构造都
同实桥相同。
图2 柱式锚箱的构造示意
图3 梁式锚箱试件构造示意
大跨度斜拉桥斜拉索锚固结构的试验研究 陈开利
31
图4 柱式锚箱试件构造示意
能从内部施焊, 所以从外侧进行单面施焊。对于主梁腹板和锚箱的焊接来说, 由于锚腹板和主梁腹板
3 制造方法的研究
锚固结构的制造难易程度, 是选定结构的重要因素。因为焊缝的施工对其疲劳强度有很大影响, 所以必须确定关于实际施工的制造方法。制造中, 以总体组装焊接为前提, 优先考虑锚固部位的焊接。3. 1 梁式锚箱试件
梁式锚箱试件的装配顺序和焊接种类如图5
所示, 这种形式在焊接施工中最需要注意的是, 主梁腹板和锚箱的焊接。研究其制造方法, 需要在主梁腹板上设置人孔, 锚箱的内侧焊接才可能做到。将锚箱作为一个单元进行安装焊接, 再同用别的方法组装好的主梁焊接。总组装后, 锚箱的两块腹板间不
之间的空间较小, 作业困难。
3. 2
柱式锚箱试件
柱式锚箱试件的装配顺序及焊接种类如图6所示。对于这种形式, 要针对主梁腹板和锚箱焊接的可施工性以及锚箱的方向同斜索角度方向一致来研究其制造方法。如果支承板、锚固板和主梁的腹板在总装配后进行焊接, 就存在焊接姿势的问题。为此, 预先将锚固板和主梁腹板焊接, 加热矫正, 之后再进行总装配。桥面板和锚固板是锐角相交, 焊接施工相当困难, 不过根据后面的FEM 分析结果, 力从锚固板到主梁腹板的传递是顺畅的, 在这个焊接部位, 几乎没有正应力, 于是可以在角度大的那侧进行单面焊。
这两种形式, 由于要重复∀装配 焊接 加热矫
图5 梁式锚箱试件组装方法图6 柱式锚箱试件组装方法
32
正 装配#的多道工序, 所以锚固部位周围的制作显得复杂、困难。与此同时, 两种形式都要研究加工方法, 来确保规定的质量和精度。再者, 比较两者制造要点, 可发现柱式锚箱在单元数量、焊接工作量方面都要少, 是一种简单的构造。
4 FEM 分析
疲劳试验试件的应力状态必须尽量再现实桥的应力状态。不过由于试验机等条件的制约, 试件有其固有的应力状态。因此在进行疲劳试验之前, 须对试件和实桥进行FEM 分析, 找出其应力状态的差异。
柱式锚箱的整体FEM 分析模型如图7所示。模型在顺桥向取20m(索距的1 2) , 横桥向取主梁宽度的一半。荷载与后述疲劳试验荷载相关, 为240kN, 以线荷载的方式沿锚箱的锚固板施加。试件分析模型的加载和整体分析模型相同, 边界条件与荷载试验的条件相同, 即用底板将其固定。单元形式为壳单元, 在两者要做比较的部分做相同的离散。下面从试件模型和实桥模型分析结果的不同点, 以及从实桥模型的分析结果中归纳出各锚固部
位结构面的特征。
世界桥梁
2004年第1期
图8 锚箱与主梁腹板连接处的应力
图7 柱式锚箱整体FEM 分析模型
4. 1 梁式锚箱
图8所示的是锚箱与主梁腹板的连接部位, 试件和实桥模型的锚箱垂直于桥轴方向的薄膜应力数值解的比较结果。和实桥模型的应力状态相似, 试件分析模型各构件端部有应力集中现象。桥面板沿桥轴方向的应力比较如图9所示。其试件分析模型的特征是, 悬出部分的桥面板的应力较实桥分析模型的结果变得大了。这是因为实桥中, 力是从锚固结构传入主梁, 而试件因锚固位置距下端约束较近, 力就较多地传到桥面板的悬出部分。
在梁式锚箱中, 因索的方向和板的方向不一致, 正应力、剪应力在梁的角点处有应力集中的倾向。4. 2 柱式锚箱
在同主梁腹板的连接部位, 实桥体系和试件分
图9 桥面板沿桥轴方向的应力
从图中可以看出两者的应力状态大致相同。支承板受面内应力和面外弯曲应力作用, 支承板在锚板两
侧, 其试件分析模型的分析结果为面内应力34M Pa, 面外应力9MPa 。图11所示为锚板中央, 斜索方向的正应力比较结果。实桥分析模型的分析结果显示, 锚板上的正应力是三角形分布, 说明荷载已充分地传递到主梁, 锚板和桥面板相交处无正应力。试件分析模型的锚固板2, 其荷载传到主梁较少, 表明荷载直接地传递到底板上。
对于柱式锚箱的试件来说, 支承板附近的应力和实桥应力状态相同, 因锚板2下端距底板非常近, 此处和实桥的应力状态差别较大, 柱式锚箱的锚板只要有足够的长度, 索力传递到主梁上是有足够的保障的。虽然这次试件的支承板内部做有加劲板, , ,
大跨度斜拉桥斜拉索锚固结构的试验研究 陈开利
33
图10 支承板与主梁腹板连接处
的应力
图12 试件加载状况
图11 锚板的压应力
由此产生了弯曲应力, 不过就其应力水平来说, 在支承板的附近, 试件为5MPa, 实桥为13M Pa 。5 静力荷载试验
作疲劳试验前先进行静力荷载试验, 加载情况如图12所示。试验中用的是400t 大型疲劳试验机。由于试件不能放入试验机内, 就使用了荷载梁, 用荷载梁的支点反力作为试验荷载。试验荷载为2400kN 。因为加载点偏离试件重心, 试件将侧倾, 因此, 在一方进行试验时, 用对方作为支撑体, 腹板用高强螺栓连接起来。此时支撑件也要侧倾, 应用地脚螺栓将其底板固定起来, 这样, 试件的梁部受压力作用, 因此才是有效的。静力试验中, 根据试件FEM 分析结果, 梁式锚箱布置80个测点, 柱式锚箱布置120个测点。实测值和FEM 结果都用Von M ises 应力来比较。
图13所示为梁式锚箱的实测值和FEM 分析结果, 从图中可以看出实测值和数值解基本吻合。FEM 数值解着眼于薄膜应力, 而实测值则是薄膜应力和弯曲应力的和。因此, 板有弯曲的部位有少许差异。
图 ()
图13 梁式锚箱应力测试结果(静载)
结果, 从图中可以看出实测值和数值解基本吻合, 只是锚板的支承板下方(测点No. 10, 11, 14, 15) 的应力都比FEM 分析结果大。这是因为FEM 分析中, 荷载是在沿锚板方向施加线荷载, 而试验荷载是通过加载板以面荷载作用于支承板在较大范围所造成的。假如区别加载方法的不同对支承板附近的影响, 以及板弯曲所造成的弯曲应力, 实测值和FEM
34
结果是大致相吻合的, 因而说明了这次试验的加载方法是没有问题的。6 疲劳试验
疲劳试验的加载方法和静载试验一样。试验荷载最大为2450kN 、最小为50kN 。荷载范围为2400kN 。为了明晰其构造上的缺点, 采用了大的试验荷载, 以使裂纹能在早期发生。
这个荷载范围, 对于设计活载来说是它的1. 4倍, 对于汽车荷载(横桥向TT 43车2辆, T20车4辆) 来说是它的4. 5倍。6. 1 梁式锚箱
梁式锚箱的疲劳试验采用200万次。产生的裂纹见表1, 发生情况如图15所示。裂纹序号按检测的顺序标定。虽然和底板的焊接部位出现了裂纹, 但它是试件特有的。
表1 梁式锚箱裂纹检测结果一览表
裂纹编号
裂纹位置
检测次裂纹长度 mm
4
数 10检测时200万次时346582
315
*
世界桥梁
2004年第1期
相当早的阶段, 且全部发生在锚箱腹板、隔板同支承板的熔透焊缝的末端。
图16所示为疲劳试验过程中支承板周边应力测定的结果。首先, 用t =100mm 厚的加载板, 仅由锚箱的两块腹板来支撑, 进行试验。当进行了50万次时, 改用t =200mm 厚的加载板, 与此同时, 加大加载板, 使锚箱的腹板和隔板都直接参与, 是4边支撑状态。图16中括号外的值为最初t =100m m 时的应力, 括号内的值为t =200m m 时的应力, 加载板的刚度小, 其弯曲变形大, 由此支承板、锚箱的腹板、隔板也产生弯曲变形, 并产生高应力。t =200mm 的加载板虽然也发生了弯曲, 但其量都很小。
裂纹3、裂纹8发生于支承板和锚箱下翼缘的焊缝末端。试验中的加载板较大,
支承板因受载而
1支承板 锚箱腹板1焊缝止焊点2支承板 隔板、支承板 锚箱腹板3锚箱下翼缘 支承板焊缝止焊点4支承板基材
4811905*221186231
195334120
381021
[**************]0
5桥面钢板 前端翼缘焊缝止焊点1156桥面钢板 盖板翼缘焊缝止焊点1327桥面钢板 盖板翼缘焊缝止焊点1508支承板 锚箱下翼缘焊缝止焊点150 *注:表示裂纹总长。
梁式锚箱疲劳裂纹的发生位置, 可以按支承板的周边和桥面板的焊接来分类。在支承板的周围发生的裂纹中, No. 1、No. 2在加载板的下方, 发生于
图16
支承板周边焊缝末端附近的应力分布
图15
大跨度斜拉桥斜拉索锚固结构的试验研究 陈开利
35
发生弯曲变形, 从而在这个位置产生了裂纹。
裂纹4发生于加载板角正下方的支承板表面, 并向板边扩展。由于加载板和支承板处于接触状态, 加载板的正下方认为有局部的大的压应力存在。
裂纹5发生于锚箱前翼缘同桥面板的熔透焊缝的末端, 裂纹6、裂纹7发生于桥面板的双重角焊缝(堆焊) 的末端。裂纹周围FEM 分析结果如图17所示。包括6、7三点在内的桥面板的弯曲应力在0~14MPa 范围内, 与此对应的薄膜应力为29~54M Pa, 裂纹的产生受薄膜应力的支配。如图9所述的那样, 试件的桥面板上的应力比实桥要高, 所以对
裂纹位置的应力进行讨论也是有必要的。
图18 柱式锚箱支承板的构造
图17 桥面板裂纹区的FEM 分析结果
6. 2 柱式锚箱
柱式锚箱的支承板和梁式锚箱一样, 用25mm 厚的板来制作。但从梁式锚箱疲劳试验结果可以预见支承板周围早期的裂纹发生后的情况, 因为柱式锚箱的锚固板为两边支撑状态, 其支承板比梁式锚箱有更严峻的支撑条件。为此作为应急的对策, 在25mm 厚的支承板上用高强螺栓栓上厚60mm 的板来加强。图18表示的是柱式锚箱支承板的构造, 加载板同梁式锚箱试验中的200mm 厚的加载板相同。
柱式锚箱的疲劳试验结果与梁式锚箱相同, 也进行200万次, 裂纹发生情况和发生位置见表2和图19。再者, 锚板2下端距底板非常近, 处于比实桥严峻得多的应力状态, 所以这个位置也有裂纹产生, 锚板2下端的裂纹如图20所示。部分熔透焊缝的末端, 以及加劲肋(防止焊缝交叉的) 弧形缺口周围也有裂纹产生。对于结构来说是重要的部位, 但产生了特殊的应力状态。虽然有裂纹产生, 但可以认为是试验对象以外的裂纹。图21所示为锚板2下端附近桥面板的FEM 分析结果。产生裂纹位置
图 裂纹编号1
图19 柱式锚箱裂纹发生位置表2 柱式锚箱裂纹检测结果一览表
裂纹位置
检测次裂纹长度 mm
4
数 10检测时200万次时
[1**********]
35804412
1151235018
支承板 主梁外腹板周边焊
缝止焊点
2支承板 锚板2焊缝止焊点支承板 锚板2加劲肋周边焊缝止焊点
支承板 锚板2加劲肋周边4
焊缝止焊点3
图23 加劲肋焊接区的应力测试结果
板传来的轴向压力而产生的。
图21 锚板2前端裂纹区FEM 分析结果
另外, 如前面图6所示, 锚板同桥面板之间采用单面的V 形坡口焊, 对于这一部位的焊缝, 虽表面没有裂纹, 但在其内部却有裂纹存在的可能性。为此在试验结束后, 分别在锚板1、锚板2的下部取5个断面进行破坏试验, 结果发现焊缝根部没有裂纹产生。
7 对锚固结构的评价
本次试验, 虽然发生了许多裂纹(由于试件特有的应力状态) , 但我们认识到了有疲劳缺陷的各结构部位, 针对这些缺陷, 下面给出了改善的方法。7. 1 支承板周边的裂纹
以往, 锚固部位的支承板, 按惯例都采用厚板。不过现在从减轻重量的观点出发, 希望加载板的刚度能直接将力传递到锚箱的腹板、隔板以及锚板等部件。支承板作为翼缘板来设计, 用25m m 的板。在疲劳试验的早期, 支承板的焊缝就因弯曲而产生裂纹。比较这两种锚固方式, 对于支承板附近的板件, 在设计中考虑弯曲是很重要的。这些使我们重新认识了这部分用厚板的原因。
柱式锚箱, 是支承板支持在两块锚板上的结构, 为了减少支承板的弯曲变形, 在锚箱内设置加劲肋, 使支承板变为4边支撑是很有必要的。另外, 支承板和腹板的焊缝、支承板和加劲肋的焊缝也必须注意, 前者, 支承板较厚, 其面内应力较小。支承板端部的角焊缝在施工时, 应做到无应力集中才有效。后者, 支承板和加劲肋焊缝处的裂纹, 是因为试验中的加载板较大、加劲肋端部都被覆盖在内而产生的, 实桥中用的垫片比加载板小, 所以不存在这样的问题。但是, 支承板下面追加新的加劲肋分担的压力较小, 所以加劲肋板厚等构造细节的变更是必要的。图24所示的就是改善了的柱式锚箱。7. 2 梁式锚箱的桥面板上的裂纹
裂纹1发生于支承板和主梁腹板的熔透焊缝的末端。100万次时, 设置止裂孔, 试验结束(200万
次) 时, 裂纹到达并止于止裂孔。图22为50万次时支承板和主梁腹板处测定的应力结果。裂纹位置5的应力是裂纹发生后的应力, 没有参考价值。它旁边的表面6点和里面1点, 其应力分别为117MPa 和170M Pa, 而且这个应力为板弯曲应力, 再者, 表面7点和里面4点的应力分别为61MPa 和27M Pa 。面内的拉应力为17MPa, 板弯曲产生的应力为44MPa, 这说明裂纹1是因为支承板弯曲而产生的。因为加载板较大, 靠近主梁腹板和支承板也受荷载作用, 且加之加劲板和主梁腹板不能焊接, 这个
裂纹结果就集中地体现为是由板弯曲所引起的。
图22 支承板与主梁腹板连接处的焊缝应力测试结果
裂纹2发生在支承板和锚板2的熔透焊缝处。发生原因和梁式锚箱一样, 为支承板的弯曲。这次用了加劲板构造, 效果不十分显著。
裂纹3、裂纹4发生在支承板、锚板的加劲肋角焊缝处。加劲肋的应力测定结果如图23所示。几乎没有面外弯曲应力,
可以判断裂纹是由于从加载
试验研究, 取梁式锚箱和柱式锚箱两种形式, 比较其构造, 研究其制造方法, 认识其疲劳特征, 所得研究结果归纳如下:
(1) 这两种结构形式都能确保规定的质量和精度, 制造也是可行的。虽然接头处的焊缝有未完全熔透焊缝现象, 但对应力没有影响。
(2) 通过疲劳试验弄清了有疲劳弱点的地方, 对于梁式锚箱, 加厚支承板、桥面板在开口处设置双重板、加大桥面板厚度等变更是有必要的。对于柱
图24 改善的柱式锚箱结构
从前面的试件分析模型和全桥分析模型的结果
比较中可看出, 试件的桥面板悬出部分存在有较高的应力, 实桥同部位的应力则较小, 认为此处无裂纹产生的可能性, 不过, 拉索通过的开口部位, 原来锚箱的构件就错综复杂, 而且开口离锚箱又非常近, 应力存在异常状态。为了加强断面, 焊接了双重板, 在锚箱周围, 加厚桥面板是合适的。8 结 论
采用足尺试件, 对斜拉桥斜拉索锚固结构进行
式锚箱, 在加大支承板厚度的同时, 做成4边支承的结构, 在端部设置角焊缝是必要的。本次试验, 施加了比实际荷载大得多的荷载, 在构造上作了上述改进, 可认为实桥的疲劳是不会有问题的。
(3) 柱式锚箱, 力的传递流畅, 单元数量、焊接工作量少, 制造容易。参 考 文 献
:
(上接第14页)
桥梁线形也达到了预定的效果, 可以说施工过程中加强对合龙这一环节的控制工作功不可没。帕克西
桥的施工实践同时也为今后类似桥梁的施工积累了宝贵的技术、管理经验。
Closure Segment Construction of Main Spans
of Paksey Bridge in Bangladesh
XIONG Shou f u
(T he 5t h Eng ineering Co. , L td., China Zhong tie M ajor Bridge Engineer ing Group, Jiujiang 332001, China)
Abstract :This paper presents the construction technology , control and adjustment measures and final results of the closure segment construction of m ain spans of Paksey Bridge in Bangladesh.
Key words :prestressed concrete bridg e; continuous g irder; closure seg ment; bridge construction
大跨度斜拉桥斜拉索锚固结构的试验研究 陈开利
29
大跨度斜拉桥斜拉索锚固结构的试验研究
编译 陈开利
(中铁大桥局集团武汉桥科院有限公司, 湖北武汉430034)
摘 要:对于斜拉桥的斜拉索锚固结构, 必须认真研究其设计方法、制造方法以及疲劳性能等。针对两种斜拉索锚固结构(锚梁形式, 锚箱形式) , 讨论了足尺试件的制作方式, 并进行了静载试验、疲劳试验和有限元分析。通过疲劳试验, 测量了疲劳裂纹的发生发展以及分布, 探讨了产生疲劳裂纹的原因, 进而提出了通过变更端压板附近的构造细节来提高疲劳强度的建议。
关键词:斜拉桥; 斜拉索; 锚头; 疲劳试验中图分类号:U 443. 37; U 446. 1
文献标识码:A
文章编号:1671-7767(2004) 01-0029-09
译者的话
斜拉桥的索梁锚固区结构复杂、受力集中, 是控制设计的关键部位, 特别是该位置受活载作用引起的索力变化而产生的影响较大。所以, 对其进行静载强度和疲劳强度的研究是十分必要的。桥科院于1999年底和2003年先后对南京长江二桥、安庆长江大桥斜拉桥索梁锚固区进行了疲劳试验, 疲劳试验前还进行了静载试验。试验工作在从美国进口的M TS 大型疲劳试验机上进行, 疲劳试验荷载依据设计要求确定, 静载试验与疲劳试验的最大荷载采用相同数值。通过试验十分清楚地掌握了索梁锚固区的受力分布规律, 并充分地验证了结构设计的可靠性。
本译文所介绍的内容是译者所见到的最早、最详细研究索梁锚固区足尺模型试验的论文, 对国内类似工作具有很大的参考价值, 现译出供国内同行参考。0 前 言
斜拉索的锚固点是重要部位, 相当于主梁和索的节点, 巨大的索力由它传给主梁。对于锚固部位, 受索力的直接作用, 在活载作用下对索力变化产生较大的影响。所以, 疲劳强度的研究是必要的。为了抵抗强大的集中索力, 在设计时多采用厚板, 而且在小范围内有很多条焊缝, 因此必须确认其可施焊性。
大跨度斜拉桥的锚固结构, 如名港西大桥、生口桥等都用的是锚管形式。关于这种锚固形式的疲劳
特性, 生口桥已通过大型的疲劳试验得以认识。可是锚管形式的锚固结构在构造上, 其下端伸到主梁下翼外面。在大跨度斜拉桥为斜索面的情况下, 锚管就不能和腹板相适应, 锚管和腹板的焊接就必须作特别的研究。本试验是关于锚管以外锚固形式 主梁腹板外挂锚箱的锚固结构的两种不同形式索力传递方式的研究。
试验目的是研究足尺试件制造方法及通过疲劳试验把握其疲劳特性。分别对试件和对应的实桥节段进行有限元分析, 并进行比较。1 锚固结构及其设计方法
主梁为矩形断面的钢箱梁, 锚固部位(即锚箱) 设置在主梁的箱外, 而且在流线型外壳的内部。斜拉索锚固在支承板上。1. 1 梁式锚箱
梁式锚箱的构造如图1所示。构造上是在主梁外面伸出长度较短的箱形断面, 锚箱装在主梁的横隔板之间。这种形式, 斜拉索角度的不同可以通过改变支承板的角度来适应。主梁腹板和斜索锚头之间存在一个力臂, 由此产生了弯矩, 同时还有由索力引起的剪力。
在主梁腹板与梁式锚箱的连接设计中, 将索力分解为水平和垂直分力来考虑。水平分力由桥面板和锚箱下翼缘来承担, 弯矩由锚箱前翼缘组成的力偶来承担。
锚箱的腹板1、腹板2是为了将索力分散给腹板及周围的板, 另外为了加强锚箱的腹板, 还设置了
收稿日期:2003-09-16
编译者简介:陈开利(1955-) , 男, 高级工程师, 1978年毕业于西南交通大学, 先后从事桥梁的教学、科研、设计、监理等工作, 1985~1986年赴
30
世界桥梁
2004年第1期
通过锚板1、锚板2将索力以剪力的形式传递到主梁腹板, 其水平分力大部分由腹板来承担, 因伸出部分而产生的弯矩由支承板和桥面板所组成的力偶来分担。
这种锚固形式和锚管形式相似, 其特征为柱式锚箱各部分的作用更为明确。2 试件形状
这次试验是为多多罗大桥而进行的。以最外边
图1 梁式锚箱的构造示意
锚箱横隔板。1. 2 柱式锚箱
柱式锚箱的构造如图2所示。构造上是从主梁腹板伸出长度较小, 斜索方向长度较大的柱式结构。由于尽量压缩由主梁腹板向外伸出的长度, 所以主梁腹板和锚箱连接部位的弯矩将变小。在斜拉索方向由于有足够的连接(焊缝) 长度, 所以索力能流畅地传递到主梁,
这就是这种形式的特点。
斜拉索为研究对象, 斜拉索倾角为22 , 设计最大索力为P max =7820kN(其中由设计活载引起的索力P =1740kN) 。索断面为PWS 7mm ! 379根, 外径为405mm 。
梁式锚箱试件、柱式锚箱试件分别如图3、图4所示。为了下述的荷载试验的方便, 要求使支承板水平, 就将主梁倾斜地切断, 并加了与地梁连接的底板。
对于两种形式的试件, 为了有利于力的分散, 在主梁腹板的内侧设置加劲肋。对于梁式锚箱, 与锚箱下翼缘支承板相应的主梁腹板内部设置加劲肋, 与锚箱前翼缘相对应的主梁腹板内部的加劲板兼作横隔板。对于柱式锚箱, 主梁腹板在传递剪力的锚固板位置的内部不需加强, 但在支承板对应的位置, 须设置内部加强板。由弯矩产生的支承板内的拉力, 由此位置的内部加强板传递, 再经主梁腹板水平加劲肋传递到主梁横隔板。
锚固结构的尺寸、板厚、焊缝部位的细部构造都
同实桥相同。
图2 柱式锚箱的构造示意
图3 梁式锚箱试件构造示意
大跨度斜拉桥斜拉索锚固结构的试验研究 陈开利
31
图4 柱式锚箱试件构造示意
能从内部施焊, 所以从外侧进行单面施焊。对于主梁腹板和锚箱的焊接来说, 由于锚腹板和主梁腹板
3 制造方法的研究
锚固结构的制造难易程度, 是选定结构的重要因素。因为焊缝的施工对其疲劳强度有很大影响, 所以必须确定关于实际施工的制造方法。制造中, 以总体组装焊接为前提, 优先考虑锚固部位的焊接。3. 1 梁式锚箱试件
梁式锚箱试件的装配顺序和焊接种类如图5
所示, 这种形式在焊接施工中最需要注意的是, 主梁腹板和锚箱的焊接。研究其制造方法, 需要在主梁腹板上设置人孔, 锚箱的内侧焊接才可能做到。将锚箱作为一个单元进行安装焊接, 再同用别的方法组装好的主梁焊接。总组装后, 锚箱的两块腹板间不
之间的空间较小, 作业困难。
3. 2
柱式锚箱试件
柱式锚箱试件的装配顺序及焊接种类如图6所示。对于这种形式, 要针对主梁腹板和锚箱焊接的可施工性以及锚箱的方向同斜索角度方向一致来研究其制造方法。如果支承板、锚固板和主梁的腹板在总装配后进行焊接, 就存在焊接姿势的问题。为此, 预先将锚固板和主梁腹板焊接, 加热矫正, 之后再进行总装配。桥面板和锚固板是锐角相交, 焊接施工相当困难, 不过根据后面的FEM 分析结果, 力从锚固板到主梁腹板的传递是顺畅的, 在这个焊接部位, 几乎没有正应力, 于是可以在角度大的那侧进行单面焊。
这两种形式, 由于要重复∀装配 焊接 加热矫
图5 梁式锚箱试件组装方法图6 柱式锚箱试件组装方法
32
正 装配#的多道工序, 所以锚固部位周围的制作显得复杂、困难。与此同时, 两种形式都要研究加工方法, 来确保规定的质量和精度。再者, 比较两者制造要点, 可发现柱式锚箱在单元数量、焊接工作量方面都要少, 是一种简单的构造。
4 FEM 分析
疲劳试验试件的应力状态必须尽量再现实桥的应力状态。不过由于试验机等条件的制约, 试件有其固有的应力状态。因此在进行疲劳试验之前, 须对试件和实桥进行FEM 分析, 找出其应力状态的差异。
柱式锚箱的整体FEM 分析模型如图7所示。模型在顺桥向取20m(索距的1 2) , 横桥向取主梁宽度的一半。荷载与后述疲劳试验荷载相关, 为240kN, 以线荷载的方式沿锚箱的锚固板施加。试件分析模型的加载和整体分析模型相同, 边界条件与荷载试验的条件相同, 即用底板将其固定。单元形式为壳单元, 在两者要做比较的部分做相同的离散。下面从试件模型和实桥模型分析结果的不同点, 以及从实桥模型的分析结果中归纳出各锚固部
位结构面的特征。
世界桥梁
2004年第1期
图8 锚箱与主梁腹板连接处的应力
图7 柱式锚箱整体FEM 分析模型
4. 1 梁式锚箱
图8所示的是锚箱与主梁腹板的连接部位, 试件和实桥模型的锚箱垂直于桥轴方向的薄膜应力数值解的比较结果。和实桥模型的应力状态相似, 试件分析模型各构件端部有应力集中现象。桥面板沿桥轴方向的应力比较如图9所示。其试件分析模型的特征是, 悬出部分的桥面板的应力较实桥分析模型的结果变得大了。这是因为实桥中, 力是从锚固结构传入主梁, 而试件因锚固位置距下端约束较近, 力就较多地传到桥面板的悬出部分。
在梁式锚箱中, 因索的方向和板的方向不一致, 正应力、剪应力在梁的角点处有应力集中的倾向。4. 2 柱式锚箱
在同主梁腹板的连接部位, 实桥体系和试件分
图9 桥面板沿桥轴方向的应力
从图中可以看出两者的应力状态大致相同。支承板受面内应力和面外弯曲应力作用, 支承板在锚板两
侧, 其试件分析模型的分析结果为面内应力34M Pa, 面外应力9MPa 。图11所示为锚板中央, 斜索方向的正应力比较结果。实桥分析模型的分析结果显示, 锚板上的正应力是三角形分布, 说明荷载已充分地传递到主梁, 锚板和桥面板相交处无正应力。试件分析模型的锚固板2, 其荷载传到主梁较少, 表明荷载直接地传递到底板上。
对于柱式锚箱的试件来说, 支承板附近的应力和实桥应力状态相同, 因锚板2下端距底板非常近, 此处和实桥的应力状态差别较大, 柱式锚箱的锚板只要有足够的长度, 索力传递到主梁上是有足够的保障的。虽然这次试件的支承板内部做有加劲板, , ,
大跨度斜拉桥斜拉索锚固结构的试验研究 陈开利
33
图10 支承板与主梁腹板连接处
的应力
图12 试件加载状况
图11 锚板的压应力
由此产生了弯曲应力, 不过就其应力水平来说, 在支承板的附近, 试件为5MPa, 实桥为13M Pa 。5 静力荷载试验
作疲劳试验前先进行静力荷载试验, 加载情况如图12所示。试验中用的是400t 大型疲劳试验机。由于试件不能放入试验机内, 就使用了荷载梁, 用荷载梁的支点反力作为试验荷载。试验荷载为2400kN 。因为加载点偏离试件重心, 试件将侧倾, 因此, 在一方进行试验时, 用对方作为支撑体, 腹板用高强螺栓连接起来。此时支撑件也要侧倾, 应用地脚螺栓将其底板固定起来, 这样, 试件的梁部受压力作用, 因此才是有效的。静力试验中, 根据试件FEM 分析结果, 梁式锚箱布置80个测点, 柱式锚箱布置120个测点。实测值和FEM 结果都用Von M ises 应力来比较。
图13所示为梁式锚箱的实测值和FEM 分析结果, 从图中可以看出实测值和数值解基本吻合。FEM 数值解着眼于薄膜应力, 而实测值则是薄膜应力和弯曲应力的和。因此, 板有弯曲的部位有少许差异。
图 ()
图13 梁式锚箱应力测试结果(静载)
结果, 从图中可以看出实测值和数值解基本吻合, 只是锚板的支承板下方(测点No. 10, 11, 14, 15) 的应力都比FEM 分析结果大。这是因为FEM 分析中, 荷载是在沿锚板方向施加线荷载, 而试验荷载是通过加载板以面荷载作用于支承板在较大范围所造成的。假如区别加载方法的不同对支承板附近的影响, 以及板弯曲所造成的弯曲应力, 实测值和FEM
34
结果是大致相吻合的, 因而说明了这次试验的加载方法是没有问题的。6 疲劳试验
疲劳试验的加载方法和静载试验一样。试验荷载最大为2450kN 、最小为50kN 。荷载范围为2400kN 。为了明晰其构造上的缺点, 采用了大的试验荷载, 以使裂纹能在早期发生。
这个荷载范围, 对于设计活载来说是它的1. 4倍, 对于汽车荷载(横桥向TT 43车2辆, T20车4辆) 来说是它的4. 5倍。6. 1 梁式锚箱
梁式锚箱的疲劳试验采用200万次。产生的裂纹见表1, 发生情况如图15所示。裂纹序号按检测的顺序标定。虽然和底板的焊接部位出现了裂纹, 但它是试件特有的。
表1 梁式锚箱裂纹检测结果一览表
裂纹编号
裂纹位置
检测次裂纹长度 mm
4
数 10检测时200万次时346582
315
*
世界桥梁
2004年第1期
相当早的阶段, 且全部发生在锚箱腹板、隔板同支承板的熔透焊缝的末端。
图16所示为疲劳试验过程中支承板周边应力测定的结果。首先, 用t =100mm 厚的加载板, 仅由锚箱的两块腹板来支撑, 进行试验。当进行了50万次时, 改用t =200mm 厚的加载板, 与此同时, 加大加载板, 使锚箱的腹板和隔板都直接参与, 是4边支撑状态。图16中括号外的值为最初t =100m m 时的应力, 括号内的值为t =200m m 时的应力, 加载板的刚度小, 其弯曲变形大, 由此支承板、锚箱的腹板、隔板也产生弯曲变形, 并产生高应力。t =200mm 的加载板虽然也发生了弯曲, 但其量都很小。
裂纹3、裂纹8发生于支承板和锚箱下翼缘的焊缝末端。试验中的加载板较大,
支承板因受载而
1支承板 锚箱腹板1焊缝止焊点2支承板 隔板、支承板 锚箱腹板3锚箱下翼缘 支承板焊缝止焊点4支承板基材
4811905*221186231
195334120
381021
[**************]0
5桥面钢板 前端翼缘焊缝止焊点1156桥面钢板 盖板翼缘焊缝止焊点1327桥面钢板 盖板翼缘焊缝止焊点1508支承板 锚箱下翼缘焊缝止焊点150 *注:表示裂纹总长。
梁式锚箱疲劳裂纹的发生位置, 可以按支承板的周边和桥面板的焊接来分类。在支承板的周围发生的裂纹中, No. 1、No. 2在加载板的下方, 发生于
图16
支承板周边焊缝末端附近的应力分布
图15
大跨度斜拉桥斜拉索锚固结构的试验研究 陈开利
35
发生弯曲变形, 从而在这个位置产生了裂纹。
裂纹4发生于加载板角正下方的支承板表面, 并向板边扩展。由于加载板和支承板处于接触状态, 加载板的正下方认为有局部的大的压应力存在。
裂纹5发生于锚箱前翼缘同桥面板的熔透焊缝的末端, 裂纹6、裂纹7发生于桥面板的双重角焊缝(堆焊) 的末端。裂纹周围FEM 分析结果如图17所示。包括6、7三点在内的桥面板的弯曲应力在0~14MPa 范围内, 与此对应的薄膜应力为29~54M Pa, 裂纹的产生受薄膜应力的支配。如图9所述的那样, 试件的桥面板上的应力比实桥要高, 所以对
裂纹位置的应力进行讨论也是有必要的。
图18 柱式锚箱支承板的构造
图17 桥面板裂纹区的FEM 分析结果
6. 2 柱式锚箱
柱式锚箱的支承板和梁式锚箱一样, 用25mm 厚的板来制作。但从梁式锚箱疲劳试验结果可以预见支承板周围早期的裂纹发生后的情况, 因为柱式锚箱的锚固板为两边支撑状态, 其支承板比梁式锚箱有更严峻的支撑条件。为此作为应急的对策, 在25mm 厚的支承板上用高强螺栓栓上厚60mm 的板来加强。图18表示的是柱式锚箱支承板的构造, 加载板同梁式锚箱试验中的200mm 厚的加载板相同。
柱式锚箱的疲劳试验结果与梁式锚箱相同, 也进行200万次, 裂纹发生情况和发生位置见表2和图19。再者, 锚板2下端距底板非常近, 处于比实桥严峻得多的应力状态, 所以这个位置也有裂纹产生, 锚板2下端的裂纹如图20所示。部分熔透焊缝的末端, 以及加劲肋(防止焊缝交叉的) 弧形缺口周围也有裂纹产生。对于结构来说是重要的部位, 但产生了特殊的应力状态。虽然有裂纹产生, 但可以认为是试验对象以外的裂纹。图21所示为锚板2下端附近桥面板的FEM 分析结果。产生裂纹位置
图 裂纹编号1
图19 柱式锚箱裂纹发生位置表2 柱式锚箱裂纹检测结果一览表
裂纹位置
检测次裂纹长度 mm
4
数 10检测时200万次时
[1**********]
35804412
1151235018
支承板 主梁外腹板周边焊
缝止焊点
2支承板 锚板2焊缝止焊点支承板 锚板2加劲肋周边焊缝止焊点
支承板 锚板2加劲肋周边4
焊缝止焊点3
图23 加劲肋焊接区的应力测试结果
板传来的轴向压力而产生的。
图21 锚板2前端裂纹区FEM 分析结果
另外, 如前面图6所示, 锚板同桥面板之间采用单面的V 形坡口焊, 对于这一部位的焊缝, 虽表面没有裂纹, 但在其内部却有裂纹存在的可能性。为此在试验结束后, 分别在锚板1、锚板2的下部取5个断面进行破坏试验, 结果发现焊缝根部没有裂纹产生。
7 对锚固结构的评价
本次试验, 虽然发生了许多裂纹(由于试件特有的应力状态) , 但我们认识到了有疲劳缺陷的各结构部位, 针对这些缺陷, 下面给出了改善的方法。7. 1 支承板周边的裂纹
以往, 锚固部位的支承板, 按惯例都采用厚板。不过现在从减轻重量的观点出发, 希望加载板的刚度能直接将力传递到锚箱的腹板、隔板以及锚板等部件。支承板作为翼缘板来设计, 用25m m 的板。在疲劳试验的早期, 支承板的焊缝就因弯曲而产生裂纹。比较这两种锚固方式, 对于支承板附近的板件, 在设计中考虑弯曲是很重要的。这些使我们重新认识了这部分用厚板的原因。
柱式锚箱, 是支承板支持在两块锚板上的结构, 为了减少支承板的弯曲变形, 在锚箱内设置加劲肋, 使支承板变为4边支撑是很有必要的。另外, 支承板和腹板的焊缝、支承板和加劲肋的焊缝也必须注意, 前者, 支承板较厚, 其面内应力较小。支承板端部的角焊缝在施工时, 应做到无应力集中才有效。后者, 支承板和加劲肋焊缝处的裂纹, 是因为试验中的加载板较大、加劲肋端部都被覆盖在内而产生的, 实桥中用的垫片比加载板小, 所以不存在这样的问题。但是, 支承板下面追加新的加劲肋分担的压力较小, 所以加劲肋板厚等构造细节的变更是必要的。图24所示的就是改善了的柱式锚箱。7. 2 梁式锚箱的桥面板上的裂纹
裂纹1发生于支承板和主梁腹板的熔透焊缝的末端。100万次时, 设置止裂孔, 试验结束(200万
次) 时, 裂纹到达并止于止裂孔。图22为50万次时支承板和主梁腹板处测定的应力结果。裂纹位置5的应力是裂纹发生后的应力, 没有参考价值。它旁边的表面6点和里面1点, 其应力分别为117MPa 和170M Pa, 而且这个应力为板弯曲应力, 再者, 表面7点和里面4点的应力分别为61MPa 和27M Pa 。面内的拉应力为17MPa, 板弯曲产生的应力为44MPa, 这说明裂纹1是因为支承板弯曲而产生的。因为加载板较大, 靠近主梁腹板和支承板也受荷载作用, 且加之加劲板和主梁腹板不能焊接, 这个
裂纹结果就集中地体现为是由板弯曲所引起的。
图22 支承板与主梁腹板连接处的焊缝应力测试结果
裂纹2发生在支承板和锚板2的熔透焊缝处。发生原因和梁式锚箱一样, 为支承板的弯曲。这次用了加劲板构造, 效果不十分显著。
裂纹3、裂纹4发生在支承板、锚板的加劲肋角焊缝处。加劲肋的应力测定结果如图23所示。几乎没有面外弯曲应力,
可以判断裂纹是由于从加载
试验研究, 取梁式锚箱和柱式锚箱两种形式, 比较其构造, 研究其制造方法, 认识其疲劳特征, 所得研究结果归纳如下:
(1) 这两种结构形式都能确保规定的质量和精度, 制造也是可行的。虽然接头处的焊缝有未完全熔透焊缝现象, 但对应力没有影响。
(2) 通过疲劳试验弄清了有疲劳弱点的地方, 对于梁式锚箱, 加厚支承板、桥面板在开口处设置双重板、加大桥面板厚度等变更是有必要的。对于柱
图24 改善的柱式锚箱结构
从前面的试件分析模型和全桥分析模型的结果
比较中可看出, 试件的桥面板悬出部分存在有较高的应力, 实桥同部位的应力则较小, 认为此处无裂纹产生的可能性, 不过, 拉索通过的开口部位, 原来锚箱的构件就错综复杂, 而且开口离锚箱又非常近, 应力存在异常状态。为了加强断面, 焊接了双重板, 在锚箱周围, 加厚桥面板是合适的。8 结 论
采用足尺试件, 对斜拉桥斜拉索锚固结构进行
式锚箱, 在加大支承板厚度的同时, 做成4边支承的结构, 在端部设置角焊缝是必要的。本次试验, 施加了比实际荷载大得多的荷载, 在构造上作了上述改进, 可认为实桥的疲劳是不会有问题的。
(3) 柱式锚箱, 力的传递流畅, 单元数量、焊接工作量少, 制造容易。参 考 文 献
:
(上接第14页)
桥梁线形也达到了预定的效果, 可以说施工过程中加强对合龙这一环节的控制工作功不可没。帕克西
桥的施工实践同时也为今后类似桥梁的施工积累了宝贵的技术、管理经验。
Closure Segment Construction of Main Spans
of Paksey Bridge in Bangladesh
XIONG Shou f u
(T he 5t h Eng ineering Co. , L td., China Zhong tie M ajor Bridge Engineer ing Group, Jiujiang 332001, China)
Abstract :This paper presents the construction technology , control and adjustment measures and final results of the closure segment construction of m ain spans of Paksey Bridge in Bangladesh.
Key words :prestressed concrete bridg e; continuous g irder; closure seg ment; bridge construction