1、目 录目 录第一章绪论111斜拉桥概述112斜拉桥的发展与历史1121斜拉桥在国外的发展情况1122斜拉桥在国内的发展情况213斜拉桥索梁锚固区的结构分类414国内外对斜拉桥索梁锚固区的研究情况615本文的工程背景及主要工作7151本文的工程背景7152本文的主要工作8153本文研究中可能出现的困难816计算依据及基础资料9第二章斜拉桥索梁锚固区应力分析1021概述lO22本文研究斜拉桥的钢锚箱分类1023钢锚箱有限元模型建立及加载方案1124设计荷载作用下7种类型钢锚箱的受力分析1325 M1型钢锚箱各板件应力结果分析14251基本参数及材料特性14252应力分析1526钢锚箱板件参数分析2
2、1261承压板厚度22262锚固板厚度24263腹板厚度27264钢锚箱内侧加劲肋厚度。29265钢箱梁内小横隔板厚度32TTI目 录266钢锚箱承压板倒角34267加劲侧板孔洞高度36268加劲侧板孔洞长度变化38269锚固板外侧加劲肋削坡尺寸变化4027本章小结42第三章钢锚箱锚垫板和承压板非线性接触分析，4431概述4432计算理论44321等效板厚法4432-2非线性接触单元法4633非线性接触算法的ANSYS参数设置47331接触单元Contal73关键字设置47332接触单元Contal73实常数设置48333接触刚度因子取值分析5034锚垫板模拟单元不同对计算结果的影响5135等
3、效板厚法与接触单元法计算结果对比5436等效板厚法与接触单元法钢锚箱各板件应力图对比5537本章小结58第四章钢锚箱优化设计6041概述6042钢锚箱内侧加劲肋对整体结构应力的影响6043钢锚箱内侧加劲肋的过焊孔对各板件应力的影响6144钢锚箱结构优化62441优化方案62442有限元模型优化设计64443计算结果分析6445本章小结66第五章结论与展望67iv51结论6752展望68致谢70参考文献71V第一章绪论第一章绪论11斜拉桥概述斜拉桥又被称为斜张桥，是由塔、梁、索三个主要部分构成的，其中桥面体系是由梁组成，支撑体系是由拉索构成，桥面体系以受压为主，而支撑体系以塔受压和拉索受拉为主。
4、斜拉桥主要是利用拉索作为主梁的弹性支撑，减小梁截面的弯矩以及主梁的自重和截厦高度，同时提高了斜拉桥的跨度，斜拉索必须在张拉的状态下才能发挥弹性支撑的作用。斜拉索拉力的水平分量可以对主梁产生轴向压力，增强其抗裂性能，这样就可以减少钢材的用量，对斜拉桥的索力进行调整可以改变主粱的内力分布情况，对斜拉索的间距和张力进行调整可以提高桥梁的整体稳定性。斜拉桥具有受力明确、跨越能力强、景观效果好的优点，同时与悬索桥相比是自锚体系，有着刚度大，钢索用量少，维护方便等优点，所以很多大跨度桥都选择做成斜拉桥。12斜拉桥的发展与历史在斜拉桥刚出现时，由于人们最初对这种体系的桥缺乏足够的认识，以及当时高强材料的缺乏
5、和斜拉索容易松弛等原因，严重阻碍了斜拉桥的发展，使得斜拉桥的发展基本处于停滞状态【l】。当时的桥梁设计者普遍认为悬索桥比斜拉桥有更大的优势。121斜拉桥在国外的发展情况德国人迪辛格尔是第一个认识到斜拉桥优越性的研究者，他大力提倡斜拉桥的建设，并在1949年发表了斜拉桥结构体系的研究成果，指出对拉索必须加载足够高的张力以消除长索自重垂度带来的柔性影响。1955年在瑞典建成的Str6msund桥被认为是世界第一座现代化斜拉桥。20世纪70年代在原西德建成的KurtSuhumacher桥是世界第一座混合梁斜拉桥【l】，该桥型很好的利用了钢筋和混凝土结合后的优点，主跨采用钢梁而边跨采用混凝土梁，提高了
6、桥梁结构的力学性能，降低了建桥的成本。在第一章绪论K删一Suhumacher桥之前，Leverkusen桥和DuisburgNeuenkamp桥的方案竞标中就有人提出了混合粱斜拉桥的方案，不过都没有被采用。斜拉桥在此后半个多世纪的时间里发展迅速，跨径从最初的1 82 6m发展到如今的1104m，成为世界范围内非常流行的桥型之一。世界上已有40余座跨径超过400m的斜拉桥，斜拉桥的最大跨径记录在进入90年代后不断被刷新。斜拉桥开始代替悬索桥成为大跨径的主流桥型，以往各国学者对斜拉桥和悬索桥600m的分界跨径也被后来建成的法国诺曼底大桥打破。日本是亚洲最先开始采用混合粱斜拉桥的国家，在很短的时间内
7、混合粱斜拉桥的技术进步很快从83m的大阪大和桥开始，陆续建成了数座混合粱斜拉桥。1997年建成的滨名湖桥的桥塔采用了A形曲线塔，非常新颖独特，外形像一艘帆船。1999年建成的多多罗大桥是当时世界跨径最大的斜拉桥，主跨跨径达到890m，是非常具有代表性的一座混合粱斜拉桥。122斜拉桥在国内的发展情况中国开始建造斜拉桥的时间较晚，我国的第一座斜拉桥于1975年在四川I云阳建成，从这一年开始，中国的斜拉桥水平飞速发展大跨度斜拉桥的数量跃升至世界第一。80年代至今是我国斜拉桥发展的鼎盛时期，1993年建成的上海杨浦黄埔江大桥标志着我国开始出现混合梁桥型，2008年建成通车的苏通长江公路大桥(见图1 1
8、)跨径首次突破了1000m，位居当时世界斜拉桥的第一位，这一记录被2012年建成的俄罗斯岛跨海大桥(见图l 2)打破，该桥跨径达到1104m。到2013年，世界斜拉桥跨径的前lO位，中国占有6座，随着斜拉桥技术的成熟和不断突破最大跨径的记录，中国斜拉桥技术水平已经在世界范围内名列前茅。酗I l苏通K江公路大桥第一章绪论图l 2俄罗斯岛跨海大桥表11世界十犬斜拉桥序号 桥名 主跨l米l 国家 建成年份俄罗斯岛跨海大桥 俄罗斯 2012苏通长江公路大桥 中国 2008昂船洲大桥 中国 2009鄂东长江公路大桥 中国 2010多多罗大桥 日本诺曼底太桥 法国 1995九江长江公路大桥 8l 8 中国
9、 2013荆岳长江公路大桥 中国 2010韩国仁川丈桥 韩国 2009上海长江大桥 中国 2009由于我国钢材产量的增加以及正交异性板流线型扁平钢箱粱技术的越发成熟，越来越多的大跨径桥使用钢箱梁，这同时也减轻了桥梁主跨的自重，平衡边跨与圭跨的自重差。扁平钢箱梁技术已经在国内广泛的被采用，国内已建成的苏通长江大桥，南京长江二桥以及南京长江三桥都是采用了这种技术。斜拉桥的飞速发展得益于高强材料的出现以及模型试验技术和计算机技术的飞速发展。拉索从20世纪60年代中期稀索体系发展B后来的密索体系，并且可以换索，钢或混凝土粱体从最开始的受弯为主变成如今的受压为主，粱体截面开始变小，出现组合式、混合式等新
10、形式的梁体结构，粱体高度减小，梁开始向轻型化发展。第一章绪论13斜拉桥索粱锚固区的结构分类在斜拉桥结构中斜拉索与钢箱粱之间锚固区的结构十分复杂，局部应力大，斜拉索巨大的索力是通过索粱锚固结构分散到主梁的截面上的，所以常常被当做斜拉桥控制设计的关键部位。但是由于国内外的设计规范并没有提出详细的设计说明，所以设计者在对斜拉桥索粱锚固区设计时缺乏依据。目前，大跨度的钢箱粱斜拉桥的索梁锚固结构主要有四种：锚箱式、销铰式、锚管式和锚拉板式。a1锚拉板式c)锚管式幽l 2索梁锚同医结构分娄d)锚箱式锚拉扳式连接是将一块上部开好槽口的钢板焊接在锚管的外傩，斜拉索锚固在锚管底部的锚拉板上，整个连接结构包括了锚
11、垫板、锚拉板、加劲板和锚拉筒。锚拉板的两侧要焊接加劲板，以补偿开槽部分对钢板的削弱，同时增强了其整体性和横向刚度。与锚拉板连接的主粱膜板要加大厚度，增设加劲板，第一章绪论这可以确保索力被均匀地传递给主梁，拉板与主粱顶板以及拉板与锚拉筒间的焊缝应力集中现象严重，对焊缝要求十分严格。我国的福建青州闽江大桥以及加拿大的安纳西斯桥都是采用这种连接方式。销铰式连接也称为耳板式连接，将一块开好孔的耳板焊接在主梁腹板上，斜拉索直接锚固在耳板上，这种锚固形式多用于斜拉索为单股的时候，索力直接通过销铰连接件，由耳板传递到主梁的腹板上。为了适应各斜拉索横向倾角的不同，耳板一般设计为楔形。耳板在孔壁形成了巨大的局部
12、压力，所以耳板对钢材的要求极高，也可加大耳板的厚度或销轴直径，以加大承压面积。耳板式锚固板结构相对于其他锚固结构构造简单，传力明确，施工方便。在我国，深圳公路湾大桥、杭州湾跨海大桥北航道桥就是采用了这种锚固形式。锚管连接一般用于拉索为单股的情况，连接方式传力简单，锚管与腹板焊接在一起后再将斜拉索锚固于锚管，索力通过锚管向腹板传递。索力与腹板没有偏心距，锚管与钢箱梁腹板的接触挤压处有应力集中，钢管附近的主梁腹板厚度要加大，以适应锚管和钢箱梁腹板所受的较大压应力。日本的名港东大桥、名港中大桥，我国的天津海河大桥、香港汲水门大桥都采用这种锚固形式。锚箱式连接是通过锚固梁(块)将斜拉桥的拉索与主梁的外
13、腹板连接在一起，拉索通过锚具锚固在锚箱底部，索力将锚箱的承压板与锚垫板压紧，锚固梁(块)和主梁腹板之间是通过焊接或者采用高强度螺栓的方式连接在一起。锚箱结构一般位于主梁腹板的外侧，锚垫板、承压板和两块锚固板是锚箱结构的主要受力板件，将巨大的索力传递给主梁的腹板。承压板下边缘的焊缝是所有与腹板连接的焊缝中受到应力最大的，所以要求焊缝熔透，采取增大焊脚尺寸，把腹板加厚等方法。为了减小应力集中，承压板和腹板焊缝端部需要打磨、锤击。由于两块锚固板容易发生侧向屈曲，所以在锚固板之间设有一块加劲板，外侧设有多条加劲肋，用来补强锚固板。在使用锚箱结构连接时，索力与外腹板有偏心距，腹板受到一个面外弯矩，所以在
14、不考虑风嘴参与受力的情况下，主梁腹板内侧需要补强。这4种索梁锚固形式都会出现应力集中现象，但发生应力集中的位置都不相同，在这些区域要加劲或加厚板件进行补强措施。锚箱式连接构造最为复杂，板件多，销铰式结构构造最简单。4中连接形式只有销铰式对钢材有要求，要具有很高的屈服强度。这4种锚固连接形式都适用于钢箱梁和混合梁斜拉桥，选择时应该根据具体情况，考虑各方面因素而定，并且进行验算分析，保证结构5第一章绪论安全。14国内外对斜拉桥索梁锚固区的研究情况国内外大多数索梁锚固区文献是关于锚固结构的试验、制造和理论研究，这方面的文献不如其它关于斜拉桥的问题研究的多，但是在进入2l世纪以后我国大跨度斜拉桥已经步
15、入世界先进行列，对索梁锚固区的研究水平也有很大提高。我国大多数500m跨径以上的斜拉桥的索梁锚固区都是采用锚箱式连接，其他3种连接形式偏少。索粱锚固区在斜拉桥的设计中非常重要，它的安全性是整体结构安全可靠的前提。在大跨度斜拉桥的设计中，设计者一般都要利用有限元理论和模型进行研究，得出锚固区的受力情况，对承载安全性做出评价。日本远藤武夫在大跨度斜拉桥斜拉索锚固结构的试验研究110】一文中对斜拉桥拉索锚固区进行了研究，分别采用了梁式锚箱以及柱式锚箱，比较它们的构造，研究制作方法和疲劳特征。根据对多多罗大桥的研究，索力是通过钢锚箱以弯矩和剪力的形式传递到主梁的腹板和项板上。李小珍，蔡婧，强士中结合工
16、程实例，对索粱锚固区进行了静载试验和理论分析，研究4种连接方式在传力机理、应力分布、应力集中现象的优缺点1111。丁雪松，熊刚，谢斌分析4种锚固结构的传力机理和应力集中现象，提出了合理传递索力和减小应力集中现象的构造措施【l 21。颜海，范立础研究了锚垫板和承压板的模拟方法和应力分布，对非线性接触法和等效板厚法进行了比较Ib】。刘庆宽，强士中等结合南京长江二桥南汉斜拉桥钢箱梁的索梁锚固部分应力状态和传力途径，进行了分析和研究fl引。任伟平等人结合湛江海湾大桥研究了锚拉板式结构【1卯。王嘉弟和赵廷衡研究了汕头磐石大桥的锚管式连接结构【16】。对斜拉桥钢锚箱结构进行模型试验时，国内有两种不同的方式
17、，一种是取锚固区的部分结构作为试件，将模型试件竖起，下端焊接在底座上，用液压千斤顶对锚箱直接施加推力来模拟斜拉索索力；另外一种是将索梁锚固区的梁体简化为工形梁或者箱粱，在梁端焊接竖向立柱和设置斜撑作为反力架，用千斤顶张拉模拟拉索实现加载。2种模型设计，其边界条件对索梁锚固区试验的结果有不同的影响。钢锚箱结构中，锚垫板和承压板之间不焊接而是通过巨大的索力将两块板压紧密贴在一起，国内外目前针对这两块板的接触传力问题一般采用等效板厚6第一章绪论法和非线性接触单元算法柬模拟。等效板厚方法是依照抗弯刚度等效的原则将锚垫板与承压板等效成一块板，即在建模时定义一块等效板来代替锚垫板和承压板；非线性接触单元法
18、是通过ANSYS有限元软件定义接触对来实现承压板与锚垫板的接触。两种方法的计算理论在本文的后续研究中将详细阐述。根据颜海和范立础3l对两种方法计算结果的比较得出的结论，等效板厚法建模简单，计算快，但是连接刚度变大，导致计算结果局部偏于不安全；非线性接触单元法能够更加真实的模拟承压板和锚垫板的接触关系，准确的反映承压板附近区域的应力情况，但是计算繁琐，耗费资源多。两种计算方法的结果接近，但是在锚垫板和承压板的局部区域，计算结果还是有差别的。在吴冲，韦杰鼎Itl等对上海长江大桥斜拉桥的索粱锚固区的研究结果表明，采用非线性接触法分析所得的结果与试验值的最大相差10，说明非线性接触单元法的计算结果更加真实可靠。15本文的工程背景及主要工作151本文的工程背景本文以长江上某大型混合粱斜拉桥为工程背景，大桥全长8462m，其中主桥1405m，南引桥3591m，北引桥2166m。主桥采用取蟮双索面混合梁设计，主桥桥跨布置为：70岬“84十818惶33 5+1245=1405m，其中815m为主跨长度，图1 3为桥型布置图。焦_L|鼎姆想k兰：!l 。 l I圈1 3主挢桥跨布置圈本桥采用半漂浮支撑体系，在索塔、辅助墩墩顶均采用双向滑动的竖向球形钢支座，过渡墩墩顶采用单向(顺桥向)滑动的竖向球形钢支座；在主桥箱梁
