■方志純

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州 350004）

安海灣大橋錨拉板力學(xué)性能研究

■方志純

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)和國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合安海灣大橋工程實(shí)際，建立了有限元模型對錨拉板力學(xué)性能進(jìn)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(nèi)角與錨拉板連接處存在較嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但區(qū)域很小；絕大部分區(qū)域的Mises應(yīng)力值小于容許應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。錨拉板式錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，制造焊接工藝可靠。

索梁錨固結(jié)構(gòu) 錨拉板 有限元法 應(yīng)力集中

1 錨拉板特點(diǎn)

斜拉橋的索梁錨固結(jié)構(gòu)是斜拉橋的關(guān)鍵受力部位，斜拉索錨固的可靠性直接關(guān)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(diǎn)，索梁錨固結(jié)構(gòu)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(diǎn)附近都會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。國內(nèi)外已經(jīng)修建的許多大跨度斜拉橋都把索梁錨固區(qū)作為設(shè)計(jì)分析的重點(diǎn)之一，目前主要采用模型試驗(yàn)與有限元分析相結(jié)合的研究方法，研究斜拉橋索梁錨固區(qū)的索力傳遞機(jī)理和應(yīng)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(nèi)錨固塊式、斜隔板錨固式、梁體兩側(cè)設(shè)錨固塊式、梁底錨固塊式、錨拉板式等。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(qiáng)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(qiáng)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(cè)腹板）的連接焊縫，將索力傳遞給主梁。錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)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(hù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使之得到了廣泛的應(yīng)用，美國的新庫珀河大橋，國內(nèi)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(gòu)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(guān)系到整座橋梁安全與穩(wěn)定,因此在橋梁設(shè)計(jì)階段很有必要對錨拉板典型結(jié)構(gòu)做空間有限元分析,以便使斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全、合理。

2 工程概況

擬建的安海灣大橋經(jīng)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)范加以組合，驗(yàn)算了上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。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(qū)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(yù)留斜拉索錨具安裝空間，錨管兩側(cè)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?qū)ΨQ設(shè)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(gòu)造如圖2所示。

3 錨拉板力學(xué)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(diǎn)進(jìn)行計(jì)算分析，其對應(yīng)G類梁段，該位置應(yīng)力集中最為明顯。由靜力分析知邊主梁G梁段應(yīng)力等效應(yīng)力最大值為143MPa。表1為B12斜拉索的設(shè)計(jì)資料。

圖2 錨拉板構(gòu)造圖

表1 B12斜拉索力學(xué)參數(shù)

3.1 計(jì)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(jié)。模型采用的參數(shù)如下：

(1）單元：四面體實(shí)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(jié)。

錨拉板有限元模型見圖3，計(jì)算參數(shù)如表2所示。

圖3 錨拉板有限元模型

表2 錨拉板計(jì)算參數(shù)表

3.2 分析結(jié)果

(1）錨拉耳板N1

錨拉耳板等效應(yīng)力 (von mises應(yīng)力）云圖如圖4所示：

最大應(yīng)力發(fā)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(qū)域應(yīng)力在300MPa以下，向下應(yīng)力迅速擴(kuò)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(yīng)力 (von mises應(yīng)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(qū)域應(yīng)力水平顯著高于其他位置的應(yīng)力水平，最大應(yīng)力104.9MPa，應(yīng)力向兩端迅速擴(kuò)散；拉板加勁肋N2a/N3a最下緣應(yīng)力最大為139MPa。

(3）前錨板 N6

前錨板N6等效應(yīng)力(von mises應(yīng)力）云圖如圖6所示：

前錨板上的應(yīng)力水平較低，最大14.6Pa。

(4）錨管 N4

錨管N4等效應(yīng)力(von mises應(yīng)力）云圖如圖7所示：

圖4 錨拉耳板等效應(yīng)力云圖(MPa）

圖5 拉板加勁肋板等效應(yīng)力云圖(MPa）

圖6 前錨板N6等效應(yīng)力云圖(MPa）

圖7 錨管N4等效應(yīng)力云圖(MPa）

錨管上部的等效應(yīng)力在0～133MPa間，應(yīng)力極值發(fā)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(yīng)力(von mises應(yīng)力）云圖如圖8所示：極值應(yīng)力值為288.7MPa，位于過焊孔內(nèi)角錨墊板與錨拉耳板連接處，大部分區(qū)域應(yīng)力在250MPa以下。

圖8 錨墊板N7等效應(yīng)力云圖(MPa）

錨拉板應(yīng)力結(jié)構(gòu)匯總見表3。

表3 B12拉索錨拉板應(yīng)力匯總表(MPa）

通過以上計(jì)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(nèi)角與錨拉板連接處存在較嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但區(qū)域很小；絕大部分區(qū)域的Mises應(yīng)力值小于容許應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

通過對安海灣大橋錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析及工程應(yīng)用，得出如下結(jié)論：

(1）錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)具有受力明確、施工簡單、便于加工、易于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，但同時錨拉耳板與錨管焊縫部以及錨墊板過焊孔內(nèi)角與錨拉板連接處存在較嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。設(shè)計(jì)中在構(gòu)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(yōu)質(zhì)的焊接工藝，可以有效改善錨拉板的應(yīng)力分布。

(2）安海灣大橋錨拉板應(yīng)力集中區(qū)域很小，絕大部分區(qū)域的Mises應(yīng)力值小于容許應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。錨拉板與頂板加強(qiáng)板連接可靠，索梁錨固結(jié)構(gòu)的承載能力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并具有較大的安全儲備。錨拉板式錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，制造焊接工藝可靠。

(3）索梁錨固區(qū)作為斜拉橋局部受力分析的關(guān)鍵部位，設(shè)計(jì)時應(yīng)單獨(dú)考慮其應(yīng)力狀態(tài)。建立有限元模型進(jìn)行分析，計(jì)算精度滿足工程設(shè)計(jì)需要。也可采用模型試驗(yàn)的分析方法輔助設(shè)計(jì)。

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