某高速鐵路斜拉橋錨拉板的局部應(yīng)力分析

摘要 斜拉橋錨拉板的錨下局部區(qū)域存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。為改善該處受力，文章通過有限元仿真對(duì)錨拉板的幾何尺寸、形狀進(jìn)行參數(shù)對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：增加拉板、加勁肋及錨管的板件厚度與增大過渡段圓弧半徑均可不同程度地減小錨下過渡區(qū)域應(yīng)力峰值。其中，增大應(yīng)力集中區(qū)圓弧過渡半徑的方式效果最顯著。

關(guān)鍵詞 錨拉板;斜拉橋;應(yīng)力集中;有限元

中圖分類號(hào) U441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）11-0148-03

引言

索梁錨固是斜拉橋的重要構(gòu)造之一，其可靠性對(duì)橋梁整體安全至關(guān)重要。其構(gòu)造主要有錨箱、耳板、錨管、錨拉板等結(jié)構(gòu)形式。其中錨拉板因傳力路徑明確、施工和運(yùn)營(yíng)期間維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在斜拉橋設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)研究者的試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究結(jié)果表明，錨拉板錨下區(qū)域是應(yīng)力集中最為明顯的地方[1-4]。該文依托實(shí)際工程，研究了錨拉板幾何參數(shù)對(duì)該應(yīng)力集中區(qū)域的影響規(guī)律。

1 工程概況

依托工程為某高速鐵路主跨325 m的鋼-混組合梁斜拉橋，其橋型布置如圖1所示。每個(gè)橋塔兩側(cè)各設(shè)13對(duì)索斜拉索，采用平行索面的布置形式，索梁錨固采用錨拉板形式。

如圖2所示，該橋采用的錨拉板結(jié)構(gòu)主要含墊板、錨管、拉板以及加勁肋等板件。拉板上部開槽，槽口內(nèi)側(cè)與錨管焊接，斜拉索穿過錨管并錨固在錨管底部的錨板上。拉板底部與主梁連接，其兩側(cè)設(shè)有加勁板，用來補(bǔ)償開槽對(duì)錨拉板截面的削弱，并增強(qiáng)錨拉板的橫向剛度。

2 錨拉板結(jié)構(gòu)受力分析

根據(jù)橋梁整體結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)果，邊跨最外側(cè)拉索S13號(hào)索力最大，錨拉板結(jié)構(gòu)承受荷載最大，選取該斜拉索的錨拉板作為研究對(duì)象進(jìn)行研究。S13號(hào)索水平傾角30°，最大索力7 204 kN。借鑒國(guó)內(nèi)其他同類型斜拉橋錨拉板板厚取值經(jīng)驗(yàn)，初步擬定的錨拉板結(jié)構(gòu)各板件厚度如下：拉板40 mm、錨固40 mm、加勁肋30 mm、墊板120 mm，其余板件按常規(guī)尺寸取。錨下拉板圓弧過渡半徑為45 mm。

有限元模型中錨拉板結(jié)構(gòu)板件均采用殼單元模擬，單元控制尺寸為10 mm，共計(jì)約49萬(wàn)個(gè)殼單元。錨拉板采用Q420鋼材，彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3。在腹板端部施加固定約束，索力沿錨管軸線方向均勻施加在墊板上，其線性靜力計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

與國(guó)內(nèi)其他斜拉橋錨拉板的有限元計(jì)算結(jié)果類似，此類型錨拉板存在應(yīng)力集中區(qū)域，例如：墊板下方拉板的圓弧過渡區(qū)域、錨管與拉板倒圓相交區(qū)域等。其中，墊板下方拉板的圓弧過渡區(qū)域應(yīng)力集中最為顯著，該區(qū)域最大應(yīng)力776 MPa，遠(yuǎn)超Q420屈服應(yīng)力。

3 錨拉板錨下區(qū)域受力參數(shù)比較分析

錨下區(qū)域由于錨拉板結(jié)構(gòu)本身幾何形狀發(fā)生突變而引起應(yīng)力集中。為進(jìn)一步研究影響該區(qū)域應(yīng)力集中的原因，分別采取改變“錨拉板各部件板厚”“過渡圓弧半徑”的措施對(duì)比分析各種措施對(duì)該處應(yīng)力的影響。首先，在原錨拉板尺寸的基礎(chǔ)上，分別將拉板、加勁肋、錨管以及墊板的厚度作為變化量，計(jì)算圓弧過渡區(qū)域最大VON-MISES應(yīng)力。

從圖4可知，除墊板外，增加拉板、加勁肋、錨管板件厚度時(shí)對(duì)圓弧過渡區(qū)域應(yīng)力均有不同程度改善，且板厚增加量與應(yīng)力減小梁基本呈線性變化。每分別增加拉板、加勁肋和錨管1 mm厚度時(shí)，圓弧過渡區(qū)最大應(yīng)力分別減少6.025 MPa、5.1 MPa和3.95 MPa。

同時(shí)，為分析圓弧過渡半徑對(duì)過渡區(qū)最大應(yīng)力的影響，分別建立過渡半徑為25 mm、35 mm、45 mm、50 mm、

55 mm、60 mm及75 mm的錨拉板有限元模型，得出不同圓弧半徑時(shí)過渡區(qū)最大應(yīng)力如圖5所示。

計(jì)算結(jié)果表明，隨著圓弧半徑增加，過渡區(qū)應(yīng)力峰值減少，每增加1 mm半徑，圓弧區(qū)域應(yīng)力減少5.78 MPa。

4 錨拉板的板厚及形狀優(yōu)化

根據(jù)前述計(jì)算結(jié)果，增加拉板、加勁肋及錨管厚度與增大過渡段圓弧半徑均可減小錨下過渡區(qū)域應(yīng)力峰值。適當(dāng)增大圓弧半徑比增加板厚更經(jīng)濟(jì)，但過渡區(qū)半徑增大同時(shí)，錨拉板整體尺寸也會(huì)相應(yīng)變大，景觀效果變差。因此，須綜合考慮增加板厚與增加半徑兩種措施。該橋在初步擬定尺寸的基礎(chǔ)上，將錨拉板各板件的板厚優(yōu)化為：拉板50 mm，加勁肋45 mm，錨管45 mm，過渡段圓弧半徑75 mm。

圖6為優(yōu)化后錨拉板VON-MISES應(yīng)力云圖，與優(yōu)化前相比，圓弧過渡區(qū)應(yīng)力峰值從776 MPa減少至482 MPa，應(yīng)力大于390 MPa的區(qū)域也明顯減少，但仍有極少部分區(qū)域超過鋼材屈服應(yīng)力。為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形后的受力狀況，建立考慮材料非線性的有限元模型，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

從圖中可以看出，考慮材料非線性前后錨拉板中其余關(guān)鍵位置的應(yīng)力分布變化不大，說明發(fā)生塑性的區(qū)域較小且未擴(kuò)散，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)是安全的。

5 結(jié)論

該文通過對(duì)錨拉板的各主要板件厚度及錨下過渡區(qū)域圓弧半徑取值進(jìn)行參數(shù)化分析，得出如下結(jié)論：增加錨拉板的拉板、加勁肋及錨管的厚度在一定程度上課減少過渡段應(yīng)力峰值;與增大板厚相比，增大應(yīng)力集中區(qū)域圓弧半徑的方式能顯著減少錨下過渡區(qū)域的應(yīng)力峰值。在上述結(jié)論基礎(chǔ)上，對(duì)原錨拉板進(jìn)行尺寸優(yōu)化并進(jìn)行彈性、彈塑性有限元分析。結(jié)果表明，優(yōu)化后的錨拉板在荷載作用下，發(fā)生塑性的區(qū)域明顯減少，受力滿足要求。

參考文獻(xiàn)

[1]侯文崎， 葉梅新. 結(jié)合梁斜拉橋錨拉板結(jié)構(gòu)研究[J]. 鋼結(jié)構(gòu)， 2002（2）： 23-27.

[2]姚建軍， 李軍. 廈漳跨海大橋北汊主橋錨拉板錨下區(qū)域受力分析[J]. 橋梁建設(shè)， 2013（4）： 39-43.

[3]楊旭東， 李元福， 黃昌凱， 等. 斜拉橋錨拉板受力特性及參數(shù)影響研究[J]. 現(xiàn)代交通技術(shù)， 2019（1）： 52-55+66.

[4]鄭綱， 劉宏. 武漢二七長(zhǎng)江大橋錨拉板模型試驗(yàn)研究[C]. 鋼結(jié)構(gòu)工程研究⑧——中國(guó)鋼協(xié)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與疲勞分會(huì)第12屆（ASSF-2010）學(xué)術(shù)交流會(huì)暨教學(xué)研討會(huì)論文集， 2010： 694-704.

收稿日期：2022-03-18

作者簡(jiǎn)介：陳斌（1986—），男，博士，高級(jí)工程師，研究方向：大跨度橋梁設(shè)計(jì)。