青龍橋錨拉板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

魏慶慶， 張樹清

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司; 公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

目前大跨徑斜拉橋或是獨塔混合梁斜拉橋，為了減輕自重，主梁通常采用鋼箱梁構(gòu)造型式。此類橋梁的斜拉索與鋼箱梁之間的連接是否安全可靠一直是設(shè)計重點關(guān)注的問題之一。索梁連接結(jié)構(gòu)要將斜拉索傳遞來的巨大索力傳遞到主梁，是一個局部應(yīng)力大、傳力復雜的區(qū)域。

斜拉索與鋼主梁的錨固主要有以下幾種形式：① 錨箱式；② 散索鞍加錨固梁；③ 錨管式連接；④ 支架或牛腿；⑤ 耳板式(銷鉸式)連接；⑥ 錨拉板。其中，錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)因其受力明確、施工簡單、便于加工、易于維護的結(jié)構(gòu)特點使之得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)是將錨拉板與主梁頂板直接焊接，分上、中、下三個部分，由承壓板、錨拉筒、錨拉板、加勁板及加強板等組成，如圖1所示。 錨拉筒與錨拉板通過焊縫連接， 錨拉板接焊在主梁梁頂板加強板上，正下方是腹板，錨拉板上還焊有加勁板。 斜拉索穿過錨拉筒，錨固在錨拉筒的承壓板上[2]。

圖1 常規(guī)錨拉板構(gòu)造示意圖

錨拉板的設(shè)計是否合理，直接關(guān)系到全橋的結(jié)構(gòu)安全。本文依托引江濟淮工程青龍橋，參考國內(nèi)外設(shè)計案例，根據(jù)空間有限元計算結(jié)果，對錨拉板構(gòu)造的設(shè)計進行了些許探索。

1 工程概況

引江濟淮工程青龍橋位于安徽省合肥市肥西縣上派鎮(zhèn)，是青龍?zhí)堵窓M跨派河橋梁，狀橋梁不滿足引江濟淮工程Ⅱ級航道凈空要求，需拆除重建，如圖2所示。

圖2 青龍橋老橋(左側(cè))、改建新橋(右側(cè))

青龍橋主橋為獨塔鋼-混凝土混合梁斜拉橋，跨徑組合為(140+80) m，橋?qū)?2 m。主梁采用混合梁，主跨為鋼箱梁，邊跨采用混凝土梁。拉索錨固于外腹板鋼箱梁頂板，采用錨拉板構(gòu)造，拉索橫向中心間距為27.5 m，梁上索距12.0 m。

2 錨拉板構(gòu)結(jié)構(gòu)受力分析

根據(jù)國內(nèi)外已建成鋼箱梁斜拉橋的錨拉板構(gòu)造，青龍橋錨拉板初步按照如圖3所示構(gòu)造進行設(shè)計。

圖3 青龍橋原設(shè)計錨拉板構(gòu)造

青龍橋鋼箱梁側(cè)斜拉索共10對，修正后斜拉索傾角范圍在22.5～60.7°，索力成橋索力值3 050～5 182 kN。選取索力最大的M10錨拉板建立有限元模型進行研究。M10錨拉板各項參數(shù)見表1。

表1 M10錨拉板參數(shù)

2.1 有限元模型建立

斜拉索索力的施加：根據(jù)圣維南原理，分布于彈性體上一小塊面積(或體積)內(nèi)的荷載所引起的物體中的應(yīng)力，在離荷載作用區(qū)稍遠的地方，基本上只同荷載的合力和合力矩有關(guān)；荷載的具體分布只影響荷載作用區(qū)附近的應(yīng)力分布。計算模型中將索力值等效為錨墊板上的均布壓力荷載，可按下式計算：

P=F/A

式中：F為拉索索力，A為錨板受力面積[3]。

青龍路橋斜拉索為平面索，鋼橫梁對錨拉板的計算影響比較小，且本文主要對錨拉板錨固點附近的構(gòu)造優(yōu)化，因此可忽略主梁的影響，在與主梁連接的部位采用固結(jié)約束[4]。采用軟件MIDAS FEA進行局部分析，錨拉板各部分采用板單元模擬，錨拉板有限元模型如圖4所示。

圖4 錨拉板有限元模型

2.2 結(jié)果分析

錨拉板各組成部分一般在雙向或三向復雜應(yīng)力狀態(tài)下工作，判斷各構(gòu)件應(yīng)力是否超限不能通過單一方向應(yīng)力決定，需要能夠反映各方面應(yīng)力影響的“屈服條件”來確定。理論上，對于有明顯屈服強度的材料，試驗證明應(yīng)用材料力學的第四強度理論能較好地反映鋼材的彈塑性工作狀況。在FEA中對于各項同性的材料主要采用Von Mises 屈服準則下的應(yīng)力作為等效應(yīng)力[5]。

(1)錨拉板：計算結(jié)果表明，錨拉板最大等效應(yīng)力為467.6 MPa，出現(xiàn)在上部開口倒角的位置，如圖5所示的A位置。錨拉板絕大部分區(qū)域應(yīng)力較低，97.2%的部位處于204.9 MPa以內(nèi)。

圖5 錨拉板等效應(yīng)力云圖(單位：MPa)

(2)鋼錨管：鋼錨管最大等效應(yīng)力為452.3 MPa，在錨墊板附近，如圖6所示的B位置。遠離斜拉索張拉位置，應(yīng)力迅速衰減，約96%的區(qū)域處于293.4 MPa以下。

圖6 鋼錨管等效應(yīng)力云圖(單位：MPa)

(3)加勁板：加勁板最大等效應(yīng)力為195.1 MPa，出現(xiàn)在錨拉板上部開口倒角位置，如圖7所示，96.2%的區(qū)域均處于112.8 MPa以下。

圖7 加勁板等效應(yīng)力云圖(單位：MPa)

(4)錨墊板：錨墊板最大等效應(yīng)力為314.5 MPa，如圖8所示，位于錨墊板的最上部位。

圖8 錨墊板等效應(yīng)力云圖(單位：MPa)

由計算結(jié)果可知，錨拉板絕大部分區(qū)域應(yīng)力較低，但是局部應(yīng)力較大，峰值應(yīng)力突出。參考國內(nèi)外相關(guān)橋梁資料，在設(shè)計中一般通過加大板厚、材料規(guī)格或者其他構(gòu)造措施來降低局部應(yīng)力。然而，為了降低大約2%板件范圍的應(yīng)力，對整個板件的尺寸進行加大，事實上是不夠合理也不經(jīng)濟的。

2.3 錨拉板優(yōu)化設(shè)計

通過有限元計算結(jié)果可知，錨拉板應(yīng)力較大的部位主要集中在錨墊板之后很小的范圍。因此，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方向應(yīng)是通過設(shè)置一些構(gòu)造來分散錨拉板、錨管承擔的力，快速地將斜拉索傳遞來的巨大索力傳遞出去。

通過望東長江大橋、壽春西路橋等工程項目的探索，發(fā)現(xiàn)通過增加錨拉板、錨管加勁的方式，如圖9所示，能夠十分有效地降低應(yīng)力峰值。

圖9 錨拉板增加加勁板示意

按圖9構(gòu)造示意增加錨拉板加勁板，加勁板的板厚均為20 mm，初步測算鋼材僅增加約50 kg。利用FEA建立有限元模型，得到前述各板件在加勁后的應(yīng)力結(jié)果。限于篇幅，此處僅介紹錨拉板及錨拉筒的應(yīng)力結(jié)果，如圖10、圖11所示。

圖10 錨拉板最大等效應(yīng)力(347.3MPa)

圖11 鋼錨管最大等效應(yīng)力(406.4MPa)

對上述兩種構(gòu)造形式下的峰值應(yīng)力進行整理，對加勁效果進行評估，對比結(jié)果見表2。

表2 錨拉板優(yōu)化前后最大等效應(yīng)力對比

通過計算結(jié)果可知，僅通過增加少量加勁肋，錨拉板各部位峰值應(yīng)力下降了至少10%。對于需要采用高強鋼材的錨拉板及錨拉筒，峰值應(yīng)力的降低，意味著能夠采用尺寸更小、強度要求較低的構(gòu)件，從而能夠大大節(jié)省材料，獲得比較理想的經(jīng)濟性。

3 結(jié)束語

錨拉板這種結(jié)構(gòu)形式在鋼箱梁斜拉橋的索梁錨固中應(yīng)用得越來越普遍，國內(nèi)外已經(jīng)有許多成熟的經(jīng)驗。本文通過分析對比青龍橋錨拉板兩種不同的構(gòu)造型式下應(yīng)力變化情況，得出如下結(jié)論：錨拉板可以在增加較少量的加勁板的情況下，來達到降低關(guān)鍵部位峰值應(yīng)力，從而達到較好的經(jīng)濟性。本橋在既有錨拉板經(jīng)驗的基礎(chǔ)上做了些許嘗試，希望對今后類似橋梁的設(shè)計能夠起到借鑒與參考的作用。