钢锚梁壁板剪力钉抗拔承载力分析

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摘要斜拉索塔端锚固采用钢锚梁形式锚固时,斜拉索水平分力由钢锚梁本体承受，竖向分力由钢牛腿通过索塔内壁预埋钢板上的焊接剪力钉传递给混凝土塔柱，因此壁板剪力钉是钢锚梁的生命线，其抗拔承载能力直接影响到钢锚梁的受力安全。本文通过钢锚梁局部受力模型得出剪力钉的拉拔力并根据不同的研究公式验算其抗拔承载能力。

关键词钢锚梁剪力钉抗拔承载能力

中图分类号：TU391 文献标识码：A

1 概述

永川长江大桥为主跨608m双塔三跨混合梁斜拉桥，边跨混凝土梁，中跨钢箱梁，索塔设计为门式钢筋混凝土框架结构。斜拉索塔端锚固方式采用钢锚梁形式锚固。钢锚梁包括与塔壁结合的钢牛腿及钢锚梁本体，如图1所示。斜拉索纵桥向分力主要靠钢锚梁本体承受，其受力模式为：钢锚梁与钢牛腿之间采用不锈钢板和四氟板组成滑动副，钢锚梁沿其轴向可作移动，从而将纵桥向平衡水平分力传递给钢锚梁。竖向分力由钢牛腿通过索塔内壁预埋钢板上的焊接剪力钉传递给混凝土塔柱。因此壁板剪力钉是钢锚梁的生命线，其抗拔承载能力直接影响到钢锚梁的受力安全，为考察壁板剪力钉的抗拔承载能力，本文通过钢锚梁局部受力模型得出剪力钉的拉拔力并根据不同的研究公式验算其抗拔承载能力。

图1 钢锚梁及钢牛腿构造三维示意图

2 计算模型

采用ANSYS建立索塔及钢锚梁局部分析有限元模型，混凝土塔柱、锚头采用solid45实体单元，钢锚梁及牛腿钢板采用shell63壳单元，塔柱预应力粗钢筋采用link8杆单元，剪力钉采用非线性弹簧单元combin39。combin 39单元是一种具有非线的单向单元，可对此单元输入广义的力－变形曲线，该单元在3-D应用中具有纵向的和扭转的能力。纵向能力是指它是单向的轴向拉一压单元，每个节点都具有一个自由度：即节点的X，Y，Z一个方向的平移自由度，不考虑弯曲和扭转。扭转能力是指已是一种纯粹的旋转单元，每个节点都有一个自由度：即绕X，Y，Z轴的旋转，不考虑弯曲或轴向的荷载。此外，该单元还具有大变形能力[1]。

图a 有限元模型全图 图b 钢锚梁有限元模型

图c 牛腿壁板与塔柱剪力钉连接图图d 锚头加载有限元示意图

图2钢锚梁局部模型分析图

钢锚梁局部模型计算边界条件及连接情况如下：

(1) 塔柱底面固结约束；

(2) 钢锚梁上部与壁板挡块处、钢锚梁底板与牛腿上承板的连接：

① 耦合钢锚梁底板与牛腿上承板的竖向位移自由度；

② 耦合钢锚梁底板与牛腿上承板在螺栓处的横桥向位移自由度；

③ 对于顺桥向位移自由度，需要根据索力差与摩擦力的关系判断后进行耦合，摩擦系数采用0.06，具体情况如图3所示.

3 抗拔承载能力分析

图4为剪力钉拉力分析图，由图可得，剪力钉所受最大拉力为42.5kN，位于边跨侧牛腿上承板与塔壁连接处。

图3 钢锚梁与钢牛腿顺桥向耦合图框图4 剪力钉轴力图(单位:N)

单钉抗拔承载能力计算，考虑的影响因素主要是混凝土的抗剪或者抗拉强度、圆锥体破坏面的表面积或其水平投影面积[2]。考虑以上因素的研究公式见表1，取最不利结果作为剪力钉抗拔额定承载力T0，验算结果汇总至表1，其中:

fc—混凝土抗压强度，C50为22.4MPa；hs—焊钉全长，本桥取0.2m；

Hs—杆部长度，本桥取0.185m；Ds—头部直径，本桥为0.035m。

表1 剪力钉抗拔额定承载力

4 结论

通过对钢锚梁壁板剪力钉抗拔承载力分析，结合国内外不同经验公式计算得出了多组单钉抗拔承载力，从表1可以得出以下结论：

(1)由于考虑的因素不同各经验公式计算出的单钉抗拔承载力差异较大；

(2)有限元计算单钉最大拉力为42.5kN，小于单钉抗拔承载力，满足抗拔要求，且富裕度较大。

参考文献

[1] 王新敏.ANSYS工程结构数值模拟分析[M].北京：人民交通出版社，2007

[2] 劳埃·杨.钢-混凝土组合结构设计[M].上海：同济大学出版社，1991