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(jì)所采用，尤其應(yīng)用于人行斜拉橋當(dāng)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(jì)算分析方法。并對結(jié)果進(jìn)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(fù)雜，一直是控制設(shè)計(jì)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(jì)，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(diǎn)

　　耳板錨固由斜拉索、銷鉸連接件、錨固耳板和補(bǔ)強(qiáng)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(jì)的關(guān)鍵。下面利用彈性力學(xué)理論分析及有限元分析來驗(yàn)證東平河景觀步行橋耳板錨固的合理性。

　　3. 理論計(jì)算

　　3.1耳板接觸應(yīng)力計(jì)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(xiàn)[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(bǔ)強(qiáng)板厚t2=20mm，取設(shè)計(jì)索力P=2200kN進(jìn)行驗(yàn)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(jì)算可得最大應(yīng)力=259Mpa。

　　b.風(fēng)荷載作用下的疲勞應(yīng)力幅

　　斜拉索由于受到風(fēng)雨振的影響，設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮風(fēng)荷載作用下的疲勞問題。將拉索上施加風(fēng)荷載，即可得到風(fēng)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(fēng)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(jì)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(jì)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(jì)算公式進(jìn)行計(jì)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(jì)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(jìn)行有限元計(jì)算。建模時采用板單元對鋼梁及耳板進(jìn)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(jì)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(jì)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(jì)算吻合較好。

　　5.構(gòu)造細(xì)節(jié)

　　本橋在吊耳的構(gòu)造上有獨(dú)到之處。由于本橋在景觀上有極高的要求，在設(shè)計(jì)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(jī)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(qiáng)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(yùn)營維護(hù)上有很多得天獨(dú)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(jì)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(jì)過程種可以用理論公式確定結(jié)構(gòu)尺寸，再進(jìn)行有限元分析，兩種方法可以相互驗(yàn)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(jì)起到參考借鑒的作用�！　�

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]徐芝綸.彈性力學(xué)[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