大型錨拉板設(shè)計要點分析

摘要：隨著許多大跨徑橋梁及不規(guī)則景觀橋的建設(shè)，產(chǎn)生了許多受力較大的錨拉板結(jié)構(gòu)。承受大荷載的錨拉板往往尺寸較大，但錨拉板尺寸過大又將帶來影響行車視距、破壞景觀效果等缺陷。文章以鋼結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力為指標(biāo)，從錨拉板形狀尺寸及角度誤差承受度對大型錨拉板的設(shè)計要點進(jìn)行分析，為該類結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：錨拉板;等效應(yīng)力;第四強(qiáng)度理論;錨拉板尺寸;受力角度誤差

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：U442.5-A-25-082-3

0 引言

一座橋梁及其構(gòu)件不僅是工程構(gòu)造物，更是一件建筑藝術(shù)品[1]?，F(xiàn)階段隨著大跨徑橋梁及不規(guī)則景觀橋的建設(shè)不斷增加，產(chǎn)生了許多受力較大的錨拉板結(jié)構(gòu)。許多大跨徑橋梁受力較大的錨拉板處于主梁行車道兩側(cè)，錨拉板尺寸過大將影響行車視距，景觀橋的錨拉板尺寸過大也將影響景觀整體效果。

本文以鋼結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力（Von Mises Stress）為指標(biāo)，從錨拉板形狀尺寸及角度誤差承受度對大型錨拉板的設(shè)計進(jìn)行分析，以期為該類結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。

1 理論基礎(chǔ)[2-3]

等效應(yīng)力（Von Mises Stress）遵循材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論（形狀改變比能理論），其認(rèn)為形狀改變比能是引起材料塑性流動破壞的主要因素。即無論在什么應(yīng)力狀態(tài)，構(gòu)件內(nèi)任一點的形狀改變比能Ud達(dá)到材料單向拉伸屈服時的形狀改變比能Ud0，該處材料就發(fā)生塑性破壞，如式（1）所示：

Ud=（1+v）6E[（σ1-σ2）2+（σ2-σ3）2+（σ3-σ1）2] （1）

式中：σ1，σ2，σ3——受力物體內(nèi)任一點處的一個單元體上三對相互垂直的平面上的主應(yīng)力。

根據(jù)Ud達(dá)到材料單向拉伸屈服時的形狀改變比能Ud0，該處材料就發(fā)生塑性破壞的概念，設(shè)材料的正應(yīng)力達(dá)到σd0時出現(xiàn)明顯屈服現(xiàn)象，將σ1=σd0、σ2=0、σ3=0代入式（1）可得式（2）：

Ud0=（1+v）3E（σd0）2 （2）

按照第四強(qiáng)度理論，判定臨界條件（Ud=Ud0）可表達(dá)為式（3）：

（1+v）6E[（σ1-σ2）2+（σ2-σ3）2+（σ3-σ1）2]=

（1+v）3E（σd0）2 （3）

由式（3）推導(dǎo)出：

12[（σ1-σ2）2+（σ2-σ3）2+（σ3-σ1）2]=σd0 （4）

將σd0除以安全系數(shù)后得到材料的臨界拉應(yīng)力[σ]：

12[（σ1-σ2）2+（σ2-σ3）2+（σ3-σ1）2]≤[σ] （5）

式中，12[（σ1-σ2）2+（σ2-σ3）2+（σ3-σ1）2]為等效應(yīng)力（Von Mises Stress）的表達(dá)式。

2 工況設(shè)置

本文分析了數(shù)座斜拉橋的拉索索力，選取900 t的索力對錨拉板進(jìn)行分析。選取的索力較大，對大型錨拉板設(shè)計具有指導(dǎo)作用。錨拉板基于傳統(tǒng)大型錨拉板的形狀，設(shè)置了三種工況進(jìn)行分析對比（見圖1～2）。工況一錨拉板主板選取較大的面積，設(shè)置較多加勁肋。工況二錨拉板主板選取相較于工況一較小的面積及較少的加勁肋（根據(jù)工況一的計算結(jié)果進(jìn)行主板減?。?。工況三至工況五在工況二的基礎(chǔ)上將拉索角度進(jìn)行變化，分析角度與錨拉板軸線產(chǎn)生偏差后受力產(chǎn)生的變化情況。

各工況的錨拉板主板均采用50 mm厚度的Q420鋼板。

本文采用有限元分析軟件對錨拉板進(jìn)行建模分析，工況1與工況2的模型等效應(yīng)力如圖3、圖4所示。

由圖3～4應(yīng)力云圖可看出，錨拉板主板變小，加勁肋變少后最大等效應(yīng)力由328.884 MPa增加至339.021 MPa，數(shù)值增加并不大，且整體應(yīng)力分布基本一致。相較于工況一，工況二的板件參與受力的比率更大，最大應(yīng)力水平增加率僅為3%，最大應(yīng)力受力面積不大，且在Q420鋼材的彈性受力范圍內(nèi)。但工況二的鋼材使用減少量較工況一超過了30%，且工況二由于更加小巧，景觀效果更佳。因此，本文認(rèn)為在大型錨拉板設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)實際受力情況選取更加合適的錨拉板尺寸，過大的錨拉板尺寸不僅會造成材料浪費，美觀性不佳，且在整體受力性能上并未得到足夠的提升。設(shè)計者可通過多次計算，優(yōu)化掉未參與受力的鋼材板件，以及選取合適的加勁肋的位置，以達(dá)到更加合理的受力，從而提高經(jīng)濟(jì)性以及景觀效果。

在結(jié)構(gòu)尺寸基本確定后，通過工況三到工況五分析安裝角度容許偏差，如圖5～7所示。

由圖5～7應(yīng)力云圖可看出，角度偏移1°，等效應(yīng)力由339.021 MPa增加至345.087 MPa，角度偏移3°，等效應(yīng)力由345.087 MPa增加至356.947 MPa，角度偏移6°，等效應(yīng)力由356.947 MPa增加至379.510 MPa，考慮到最大等效應(yīng)力面積位于主板與圓筒橫隔板相交處，應(yīng)力集中現(xiàn)象在此處較嚴(yán)重，開裂風(fēng)險較大，且鋼板厚度較厚，應(yīng)力損失較大，應(yīng)保持一定應(yīng)力冗余度（本設(shè)計考慮15%安全冗余度，即最大容許等效應(yīng)力為420×0.85=357 MPa），故將安裝角度容許偏差值設(shè)置為3°。

3 結(jié)語

本文以鋼結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力（Von Mises Stress）為指標(biāo)，從錨拉板形狀尺寸及角度誤差承受度對大型錨拉板的設(shè)計進(jìn)行分析，為該類結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。文章得出結(jié)論如下：

（1）在900 t索力下，可將錨拉板主板維持在高1.9 m以內(nèi)、寬2.74 m以內(nèi)、厚50 mm左右的尺寸，避免過大的累贅感，也使受力經(jīng)濟(jì)性達(dá)到較好的水準(zhǔn)。主板輪廓可根據(jù)景觀要求適當(dāng)采取合適的弧線。

（2）施工時錨筒角度與拉索角度施工誤差偏移值宜控制在≤3°的區(qū)間范圍內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

[1]范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2017.

[2]宋子康，蔡文安.材料力學(xué)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1998.

[3]孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)來秦.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2009.

收稿日期：2021-03-20

作者簡介：韋澤鵬（1991—），碩士，高級工程師，主要從事橋梁設(shè)計工作。