南京长江二桥耳板式索梁锚固试验研究

南京长江二桥耳板式索梁锚固试验研究

刘庆宽张强陈伟庆强士中

（西南交通大学桥梁与结构工程系）【摘要】斜拉桥索梁锚固区结构复杂，受力集中，是控制设计的关键部位。耳板式索梁锚固结构是钢箱梁索梁锚固的一种重要形式，使用这一结构的关键问题是掌握斜拉索与主梁锚固区域的应力大小及分布。本文以南京长江第二大桥南汊斜拉桥原耳板式索梁锚固结构为研究对象，对应力状态和传力途径，进行了结构试验和理论分析，得出了一些有益结论。

【关键词】斜拉桥索梁锚固耳板接触应力

一、概述

在索梁锚固区域，结构复杂，受力集中，是控制设计的关键部位。掌握斜拉索的锚头以及与钢箱梁连接附近的应力分布情况是十分重要的，然而目前的理论分析和计算能力都难于反映真实的应力分布情况，为此，有必要进行试验研究。

南京长江第二大桥南汊斜拉桥的索梁锚固方案原设计采用耳板式结构，即在箱梁的边腹板上用高强螺栓固定上耳板，板上开一圆孔，斜拉索通过销子锚固在耳板的圆孔处。在受力方面，斜拉索的巨大索力通过销子以接触应力的形式传递给耳板，并进一步传递到腹板上。下面分别通过模型试验和有限元计算方法对该区域的应力进行研究，为设计、制造这一新型结构提供试验依据和理论依据。

二、模型试验

1.试验目的

最大斜拉索索力作用下和1.7倍最大索力下两种工况：研究斜拉索索力作用在耳板上时，耳板的应力分布尤其是耳板孔周的应力分布；研究耳板与钢箱梁斜腹板连接的传力途径。

2.模型设计

根据试验目的，通过对索梁锚固区域进行细致的分析，找出尽可能反映实际设计桥梁在该区域应力分布情况的试验结构，在受力最大的J20号（江侧20号）索与箱梁锚固处分割出部分结构，该索与主梁夹角为26°。在对应力分布不产生明显影响的前提下作局部修改，根据相似条件，设计了1：2试验结构，如图1所示。

3.模型制作及加载方案

模型由铁道部宝鸡桥梁厂制造。焊接工艺尽可能与制造实桥的一致。耳板材料为0.7MnCrMoVR钢，屈服强度为5l0MPa，

极限强度为630MPa。

由中交公路规划设计院提供的试验

节端荷载为：索力619.5t，两端轴力分别是364.0t和-185.6t。由这个荷载值根据相似原理计算得1：2模型设计荷载见

表1，模型加载如图2所示。耳板不受集中力，应力不会有突变，因此实际最大应力应发生在最大值测点附近，且真实值应比测点最大值大，从应力增大的趋势看，实际最大应力应发生在圆孔右上方26°角处的孔壁上。

（3）在圆孔下方螺栓上方，应力分布相对均匀，规律为向远离圆孔方向递减，至板的两边缘处减小为零。

（4）在耳板与腹板通过螺栓栓接的摩擦面上应力分布规律为摩擦面周边的应力相对较大，中部相对较小。

（5）摩擦面上边缘横向每个螺栓孔处受力规律为向右水平方向递增，纵向向下递减。

（6）从外荷载变化的角度来分析耳板的应力变化，得出在材料的线弹性范围内，耳板的应力并不随外荷载按比例地增长，当外荷载从1.0倍设计荷载增大到1.7倍设计荷载时，除去耳板右下角应力增长率大于1.7外，总体规律为应力大的地方应力增长率大，接近或超过1.7，应力小的地方应力增长率小于1.7。这种情况对耳板受力是不利的。

四、有限元计算

在桥的纵向取24m长，包括6个节间的梁段，鉴于钢箱梁和索关于桥轴对称，在桥的横向取箱梁的一半，利用有限元计算程序ALGOR，采用板壳单元建立计算模型，运行程序进行计算。耳板的最大压应力等值线分布如图5所示。

比较上图和图3可以发现，应力分布规律基本一致。捕捉圆孔旁边单元格的节点，耳板上的最大应力在圆孔右上方边缘与水平线成26°角的部位，值为350MPa。因为计算模型和试验模型的边界条件有区别，因此两者数值结果会有一定的差异。

五、结论

（1）耳板上最大压应力位于销子与耳板沿索力方向相接触的位置，耳板上沿索力方向一排测点的应力较大，向两方衰减。试验测得最大压应力值为286MPa；耳板与腹板检接的摩擦面上边缘出应力较大，中部应力较小；耳板上应力的增长与荷载的增长不成比例，应力越大的地方应力增长越快。

（2）通过将试验结果与有限元计算结果相比较，两种方法得到的应力大小及分布规律基本一致，说明试验方案可行，试验结果可靠。

（3）在大跨径斜拉桥中，耳板式锚团结构的耳板销孔在销轴的挤压下产生巨大的局部应力，其抗压强度不易满足设计要求，如果采用这种锚