人行斜拉橋銷鉸連接受力特性分析

 人行斜拉橋銷鉸連接受力特性分析

　　摘要：斜拉橋的銷鉸耳板錨固形式構(gòu)造簡單、傳力直接明確，為較多鋼箱梁斜拉橋設(shè)計所采用，尤其應(yīng)用于人行斜拉橋當中。以東平河景觀步行橋銷鉸耳板錨固為例，描述東平河景觀步行橋銷鉸耳板的構(gòu)造。闡述人行斜拉橋銷鉸耳板連接的計算分析方法。并對結(jié)果進行分析，提出建議。

　　關(guān)鍵詞：人行橋，斜拉橋，銷鉸錨固，耳板

　　1. 引言

　　隨著人們對橋梁審美要求的提高，結(jié)構(gòu)輕盈、跨度大、形式多樣的纜索支撐體系橋梁越來越多得被應(yīng)用到人行橋的建設(shè)中。在纜索支撐體系橋梁中，索梁的錨固由于受力和構(gòu)造復雜，一直是控制設(shè)計的關(guān)鍵部位，是保證結(jié)構(gòu)安全的重要一環(huán)。索梁錨固主要有錨箱式連接、錨管式連接、錨拉板式連接和耳板式連接，其中耳板式連接由于構(gòu)造簡單、傳力途徑明確、施工方便，為人行斜拉橋主要的索梁錨固形式。本文結(jié)合東平河景觀步行橋的索梁錨固形式的設(shè)計，闡述銷鉸耳板受力特性分析的方法。

　　東平河景觀步行橋橋梁全長655米，共一聯(lián)，跨徑布置為50+60+65+305+65+60+50米，橋?qū)?米。結(jié)構(gòu)形式為雙塔單索面曲線梁斜拉橋。主梁采用單向圓弧的平面線形，圓弧半徑為600m，主跨主梁采用鋼箱梁，邊跨采用混凝土箱梁。橋塔采用薄殼結(jié)構(gòu)。全橋共48根斜拉索，拉在主梁南北兩側(cè)，呈反對稱布置。拉索與主梁連接采用銷鉸耳板形式�！�                           

　　2. 受力特點

　　耳板錨固由斜拉索、銷鉸連接件、錨固耳板和補強板所組成。從傳力途徑上看，索力由斜拉索→銷鉸連接件→銷鉸耳板→鋼梁的腹板（橫梁、頂板）→鋼箱梁，傳力途徑簡單明確。耳板應(yīng)力分布與銷軸耳板接觸應(yīng)力大小是耳板錨固合理設(shè)計的關(guān)鍵。下面利用彈性力學理論分析及有限元分析來驗證東平河景觀步行橋耳板錨固的合理性。

　　3. 理論計算

　　3.1耳板接觸應(yīng)力計算

　　a.耳板銷孔內(nèi)壁接觸應(yīng)力

　　斜拉索銷鉸耳板與銷軸之間的接觸應(yīng)力解法為赫茲（H.Hertz）接觸問題，由文獻[1]可以得出兩個圓形截面接觸應(yīng)力為：

　　式中，、為耳板孔與銷軸的半徑，E為彈性模量，為接觸面上沿縱向單位長度所受的壓力，為理論接觸的半軸長，為銷軸接觸的最大壓應(yīng)力。　         

　　東平河景觀步行橋耳板如圖[3]所示，在此耳板式錨固結(jié)構(gòu)中，銷孔內(nèi)徑D1=130mm，銷軸外徑D2=129.5mm（按最大公差考慮），耳板厚t1=30mm，一個補強板厚t2=20mm，取設(shè)計索力P=2200kN進行驗算，兩種材料的彈性模量均為E=2.06×105Mpa，R1=65mm，R2=64.75mm，=P/t=2200×103/0.07=3.14×107N/m描述，計算可得最大應(yīng)力=259Mpa。

　　b.風荷載作用下的疲勞應(yīng)力幅

　　斜拉索由于受到風雨振的影響，設(shè)計時應(yīng)考慮風荷載作用下的疲勞問題。將拉索上施加風荷載，即可得到風荷載在耳板處的作用力。東平河景觀步行橋在此處作用于耳板的風力為N=28kN，在耳板與箱梁相接處彎矩為14kN.m。由此我們可以計算在連接處的應(yīng)力為26Mpa,此應(yīng)力為耳板加勁板邊緣的最大應(yīng)力。

　　3.2銷軸應(yīng)力計算

　　a.局部承壓

　　局部承壓應(yīng)力可以根據(jù)上式所提供的接觸應(yīng)力計算公式進行計算，其結(jié)果與耳板邊緣的接觸應(yīng)力數(shù)值上相等。

　　b.銷軸抗剪                 

　　c.銷軸抗彎

　　承受彎曲的銷軸可按簡支梁近似計算，假定被連接構(gòu)件的內(nèi)力為均布荷載，作用在銷軸軸線上，則跨中最大彎矩為

　　M=×t2/8=3.14×104×0.072/8=19.23kN.m

　　銷軸的應(yīng)力為                      

　　4.有限元分析

　　采用MidasCivil程序?qū)�東平河景觀步行橋銷鉸耳板進行有限元計算。建模時采用板單元對鋼梁及耳板進行模擬，板單元以四邊形為主，三角形主要應(yīng)用與不規(guī)則單元的過渡，索力采用集中力施加與耳板銷鉸孔的中央。分析計算結(jié)果如圖4所示�！　�                                 

　　最大應(yīng)力出現(xiàn)在耳板孔避與銷軸接觸處，為276Mpa。比理論計算值偏大，但考慮到模型的加載方式及單元的劃分密度，其結(jié)果與理論計算吻合較好。

　　5.構(gòu)造細節(jié)

　　本橋在吊耳的構(gòu)造上有獨到之處。由于本橋在景觀上有極高的要求，在設(shè)計上為了使主梁看起來盡可能的簡潔美觀，吊耳與主梁的焊接位置被設(shè)置在頂板與腹板的交接處。為了避免兩條焊縫重疊，在此處采用一個機加工的多邊形連接件，使頂板、腹板及吊耳板分別焊接于連接件上，避免了焊縫的重疊，也對耳板高強度鋼材的連接起到了良好的效果。

　　6.結(jié)語

　　銷鉸耳板錨固形式在制造加工及運營維護上有很多得天獨厚的優(yōu)勢，尤其在人行橋中，以其構(gòu)造簡單、傳力明確成為主要的拉索錨固形式。

　　通過理論計算及有限元分析表明，在銷鉸處的接觸應(yīng)力兩種方法較為接近，在設(shè)計過程種可以用理論公式確定結(jié)構(gòu)尺寸，再進行有限元分析，兩種方法可以相互驗證。

　　本文所采用的分析方法簡單使用，可以對其他橋梁的銷鉸耳板錨固構(gòu)造的設(shè)計起到參考借鑒的作用�！　�

　　參考文獻

　　[1]徐芝綸.彈性力學[M]北京：人民教育出版社，1979年

　　[2]吳沖.現(xiàn)代鋼橋[M]北京：人民交通出版社，2006年

　　[3]道路橋示方書.同解說[S].2002年