青龍橋錨拉板結構優化設計

魏慶慶， 張樹清

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司; 公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，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計重點關注的問題之一。索梁連接結構要將斜拉索傳遞來的巨大索力傳遞到主梁，是一個局部應力大、傳力復雜的區域。

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構因其受力明確、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[1]。

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，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 常規錨拉板構造示意圖

錨拉板的設計是否合理，直接關系到全橋的結構安全。本文依托引江濟淮工程青龍橋，參考國內外設計案例，根據空間有限元計算結果，對錨拉板構造的設計進行了些許探索。

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，是青龍潭路橫跨派河橋梁，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)、改建新橋(右側)

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，橋寬42 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 錨拉板構結構受力分析

根據國內外已建成鋼箱梁斜拉橋的錨拉板構造，青龍橋錨拉板初步按照如圖3所示構造進行設計。

圖3 青龍橋原設計錨拉板構造

青龍橋鋼箱梁側斜拉索共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錨拉板各項參數見表1。

表1 M10錨拉板參數

2.1 有限元模型建立

斜拉索索力的施加：根據圣維南原理，分布于彈性體上一小塊面積(或體積)內的荷載所引起的物體中的應力，在離荷載作用區稍遠的地方，基本上只同荷載的合力和合力矩有關；荷載的具體分布只影響荷載作用區附近的應力分布。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造優化，因此可忽略主梁的影響，在與主梁連接的部位采用固結約束[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 結果分析

錨拉板各組成部分一般在雙向或三向復雜應力狀態下工作，判斷各構件應力是否超限不能通過單一方向應力決定，需要能夠反映各方面應力影響的“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 屈服準則下的應力作為等效應力[5]。

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

圖5 錨拉板等效應力云圖(單位：MPa)

(2)鋼錨管：鋼錨管最大等效應力為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，應力迅速衰減，約96%的區域處于293.4 MPa以下。

圖6 鋼錨管等效應力云圖(單位：MPa)

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

圖7 加勁板等效應力云圖(單位：MPa)

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

圖8 錨墊板等效應力云圖(單位：MPa)

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

2.3 錨拉板優化設計

通過有限元計算結果可知，錨拉板應力較大的部位主要集中在錨墊板之后很小的范圍。因此，結構優化的方向應是通過設置一些構造來分散錨拉板、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，發現通過增加錨拉板、錨管加勁的方式，如圖9所示，能夠十分有效地降低應力峰值。

圖9 錨拉板增加加勁板示意

按圖9構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力結果。限于篇幅，此處僅介紹錨拉板及錨拉筒的應力結果，如圖10、圖11所示。

圖10 錨拉板最大等效應力(347.3MPa)

圖11 鋼錨管最大等效應力(406.4MPa)

對上述兩種構造形式下的峰值應力進行整理，對加勁效果進行評估，對比結果見表2。

表2 錨拉板優化前后最大等效應力對比

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

3 結束語

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