安海灣大橋錨拉板力學性能研究

■方志純

(福建省交通規劃設計院，福州 350004）

安海灣大橋錨拉板力學性能研究

■方志純

(福建省交通規劃設計院，福州 350004）

本文以安海灣大橋錨拉板為研究對象，通過介紹錨拉板的結構特點和國內外應用現狀，結合安海灣大橋工程實際，建立了有限元模型對錨拉板力學性能進行了分析和闡述。研究表明：錨拉耳板與錨管焊縫部以及錨墊板過焊孔內角與錨拉板連接處存在較嚴重的應力集中現象，但區域很小；絕大部分區域的Mises應力值小于容許應力，滿足規范要求。錨拉板式錨固結構設計合理，制造焊接工藝可靠。

索梁錨固結構 錨拉板 有限元法 應力集中

1 錨拉板特點

斜拉橋的索梁錨固結構是斜拉橋的關鍵受力部位，斜拉索錨固的可靠性直接關系到全橋的安全度。斜拉橋中的索力斜向集中地作用于斜拉橋主梁的錨固點，索梁錨固結構必須能順暢地將索力可靠地傳遞給主梁。在其傳力過程中，錨固點附近都會產生較大的應力集中。國內外已經修建的許多大跨度斜拉橋都把索梁錨固區作為設計分析的重點之一，目前主要采用模型試驗與有限元分析相結合的研究方法，研究斜拉橋索梁錨固區的索力傳遞機理和應力分布及疲勞性能。

斜拉索與鋼主梁的錨固形式主要有：錨箱式、散索鞍座加錨固梁、錨管式、支架或牛腿、耳板式(銷鉸式）、錨拉板式等。斜拉索與混凝土梁的錨固形式包括：頂板錨固塊式、箱內錨固塊式、斜隔板錨固式、梁體兩側設錨固塊式、梁底錨固塊式、錨拉板式等。錨拉板式索梁錨固結構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。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。傳力途徑為：索力通過錨筒與拉板的連接焊縫傳遞給拉板，再由拉板和主梁頂板(或側腹板）的連接焊縫，將索力傳遞給主梁。錨拉板式索梁錨固結構最早被加拿大安納西斯橋采用，其受力明確、施工簡單、便于加工、易于維護的結構特點使之得到了廣泛的應用，美國的新庫珀河大橋，國內已建成的福建青州閩江大橋、顆珠山大橋、灌河特大橋、重慶豐都長江二橋、廈漳跨海大橋、湛江海灣大橋等均采用了這種錨固形式。

鑒于錨拉板作為傳力主要受力構件,且錨拉板僅下緣與主梁焊接在一起,錨拉板抗拉能力以及錨拉板與主梁、錨拉板與錨拉管焊接處抗剪能力直接關系到整座橋梁安全與穩定,因此在橋梁設計階段很有必要對錨拉板典型結構做空間有限元分析,以便使斜拉橋索梁錨固結構設計安全、合理。

2 工程概況

擬建的安海灣大橋經過方案比選，決定采用平行雙索面疊合梁雙塔斜拉橋，跨徑組合為 (135+300+135）m=570m，塔梁為半漂浮體系，主梁采用組合梁形式，斜拉索縱橋向索面布置為扇形索。在主橋設計階段，全橋總體靜力、動力分析，采用MIDAS/Civil 2013空間橋梁專用程序建立模型，施加各工況荷載并按設計規范加以組合，驗算了上部結構和下部結構的受力狀態。全橋三維模型如圖1所示：

圖1 安海灣大橋MIDAS三維模型

安海灣大橋的索梁錨固區采用的是錨拉板形式。錨拉板由錨拉耳板、拉板加勁肋、錨管、前錨板和錨墊板組成，其中錨拉耳板中、上部開槽，錨管嵌于錨拉耳板上部槽口處，并預留斜拉索錨具安裝空間，錨管兩側與錨拉板焊接，斜拉索穿過錨管并用錨固于錨管底部；拉板加勁肋橫橋向對稱設置，錨拉耳板與工字鋼頂部焊接。錨墊板與錨拉耳板、拉板加勁肋連成整體，以分散拉索傳遞的集中力；同時將拉板加勁肋向上抬高15cm，不再焊接于鋼主梁頂緣，其構造如圖2所示。

3 錨拉板力學性能分析

本文分析選取了具有代表性的最小傾角的邊跨拉索B12斜拉索錨固點進行計算分析，其對應G類梁段，該位置應力集中最為明顯。由靜力分析知邊主梁G梁段應力等效應力最大值為143MPa。表1為B12斜拉索的設計資料。

圖2 錨拉板構造圖

表1 B12斜拉索力學參數

3.1 計算模型

錨拉耳板、加勁肋與鋼主梁熔透焊接，邊界條件為在鋼主梁頂緣即錨拉耳板底緣固結。模型采用的參數如下：

(1）單元：四面體實體單元 。

(2）荷載：考慮在拉索索力下錨拉板的受力行為。

(3）邊界條件：錨拉耳板和加勁板底緣固結。

錨拉板有限元模型見圖3，計算參數如表2所示。

圖3 錨拉板有限元模型

表2 錨拉板計算參數表

3.2 分析結果

(1）錨拉耳板N1

錨拉耳板等效應力 (von mises應力）云圖如圖4所示：

最大應力發生在錨拉耳板上部開口倒角的位置，最大值為385.5MPa，錨拉耳板大部分區域應力在300MPa以下，向下應力迅速擴散。

(2）拉板加勁肋板N2/N3和N2a/N3a

拉板加勁肋N2/N3和N2a/N3a等效應力 (von mises應力）云圖5如所示：

拉板加勁肋N2/N3位于錨管與錨拉耳板連接的區域應力水平顯著高于其他位置的應力水平，最大應力104.9MPa，應力向兩端迅速擴散；拉板加勁肋N2a/N3a最下緣應力最大為139MPa。

(3）前錨板 N6

前錨板N6等效應力(von mises應力）云圖如圖6所示：

前錨板上的應力水平較低，最大14.6Pa。

(4）錨管 N4

錨管N4等效應力(von mises應力）云圖如圖7所示：

圖4 錨拉耳板等效應力云圖(MPa）

圖5 拉板加勁肋板等效應力云圖(MPa）

圖6 前錨板N6等效應力云圖(MPa）

圖7 錨管N4等效應力云圖(MPa）

錨管上部的等效應力在0～133MPa間，應力極值發生在與錨墊板接觸位置、靠近拉板焊縫處為132.6MPa。

(5）錨墊板 N7

鋼墊板N7等效應力(von mises應力）云圖如圖8所示：極值應力值為288.7MPa，位于過焊孔內角錨墊板與錨拉耳板連接處，大部分區域應力在250MPa以下。

圖8 錨墊板N7等效應力云圖(MPa）

錨拉板應力結構匯總見表3。

表3 B12拉索錨拉板應力匯總表(MPa）

通過以上計算比較可以看出，在最大索力作用下，錨拉耳板與錨管焊縫部以及錨墊板過焊孔內角與錨拉板連接處存在較嚴重的應力集中現象，但區域很小；絕大部分區域的Mises應力值小于容許應力，滿足規范要求。

4 結語

通過對安海灣大橋錨拉板式索梁錨固結構進行有限元分析及工程應用，得出如下結論：

(1）錨拉板式索梁錨固結構具有受力明確、施工簡單、便于加工、易于維護的優點，但同時錨拉耳板與錨管焊縫部以及錨墊板過焊孔內角與錨拉板連接處存在較嚴重的應力集中現象。設計中在構造條件允許的情況下，盡可能加大錨拉板與錨拉筒連接焊縫根部的圓弧半徑，采用優質的焊接工藝，可以有效改善錨拉板的應力分布。

(2）安海灣大橋錨拉板應力集中區域很小，絕大部分區域的Mises應力值小于容許應力，滿足規范要求。錨拉板與頂板加強板連接可靠，索梁錨固結構的承載能力達到設計要求，并具有較大的安全儲備。錨拉板式錨固結構設計合理，制造焊接工藝可靠。

(3）索梁錨固區作為斜拉橋局部受力分析的關鍵部位，設計時應單獨考慮其應力狀態。建立有限元模型進行分析，計算精度滿足工程設計需要。也可采用模型試驗的分析方法輔助設計。

[1]侯文崎，葉梅新.結合梁斜拉橋錨拉板結構研究[J].鋼結構.2002(02）:23-27.

[2]任偉平，強士中，李小珍，等.斜拉橋錨拉板式索梁錨固結構傳力機理及疲勞可靠性研究[J].土木工程學報.2006(10）:68-73.

[3]Zijian W,Xiaozhen L I,Xing W,et al.Bearing safety of tensile anchor plate of long-span cable-stayed bridge[Z].Changsha:2006(5.）

[4]衛星，李小珍，李俊，等.鋼箱梁斜拉橋錨拉板式索梁錨固結構的試驗研究[J].工程力學.2007(04）:135-141.

[5]朱勁松，肖汝誠，曹一山.杭州灣跨海大橋索梁錨固節點模型試驗研究[J].土木工程學報.2007(01）:49-53.

[6]王少懷，向中富，謝秉敏，等.斜拉橋耳板式索梁錨固區應力分析[J].重慶交通大學學報(自然科學版）.2012(04）:751-754.

[7]姚建軍，李軍.廈漳跨海大橋北汊主橋錨拉板錨下區域受力分析[J].橋梁建設.2013(04）:39-43.

[8]曾永平，陳克堅，袁明，等.雙錨拉板-錨箱索梁錨固結構設計研究及疲勞試驗[J].橋梁建設.2013(06）:45-50.

[9]陳彥江，辛光濤，李勇，等.斜拉橋錨拉板式索梁錨固區試驗模型優化研究[J].工業建筑.2014(S1）:567-571.

[10]陳濤.大跨度鐵路斜拉橋錨拉板受力特性及疲勞試驗模型方案研究[D].西南交通大學,2016.

[11]王連華，丁秉昊，李立峰.斜拉橋錨拉板足尺模型疲勞試驗[J].建筑科學與工程學報.2016,33(5）:50-56.

[12]石雪飛，周軍勇，胡可，等.錨拉板式混凝土索梁錨固體系實橋試驗研究[J].橋梁建設.2016(03）:11-16.

[13]Gang Z,Kaili C.Fatigue Model Test Study on Tensile Anchor Plate Structure of Cable-stayed Bridges with Steel Girders[Z].Beijing(CN）:7.

[14]FULL SCALE MODEL TEST ON TENSILE ANCHOR PLATES IN CABLE-GIRDER ANCHORAGE OF GUANGZHOU DONGSHA BRIDGE[Z].Chengdu(CN）:6.

[15]Zhang X,Wang J,Wang X.Study on Fengdu Second Yangtze River Bridge the cable anchorage structure in a girder transfer mechanism[Z].Sanya(CN）:4.