錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)疲勞性能的研究進(jìn)展

(武漢理工大學(xué) 湖北 武漢 430070)

斜拉橋的索梁錨固結(jié)構(gòu)按構(gòu)造形式差異主要分為：鋼錨箱式、耳板式、錨管式和錨拉板式。以上4種索梁錨固結(jié)構(gòu)形式在構(gòu)造上存在著明顯的差異，其傳力路徑和受力特點也有著較大的區(qū)別，本文重點對錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

一、錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)的特點

錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)的構(gòu)成板件有：錨拉板、錨墊板、錨拉筒以及加勁肋等，如圖1所示，錨拉板結(jié)構(gòu)可分為上、中、下三部分，通常其上部開槽，在槽口處通過連接焊縫將錨拉筒焊接在槽口內(nèi)側(cè)，錨拉筒底部與錨墊板相連接，斜拉索貫穿錨拉筒并通過錨具固定于錨墊板的底面。其傳力途徑為：斜拉索—錨拉筒—錨拉板—鋼箱梁。

圖1 錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)

錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)板件間的傳力主要依靠焊縫，其中錨拉板與錨拉筒、錨拉板與主梁頂板間的連接焊縫為關(guān)鍵焊縫，在這些區(qū)域由于幾何形狀發(fā)生突變，都存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中。采用此錨固形式的斜拉橋有加拿大安納西斯橋以及我國的湛江海灣大橋，青州閩江大橋等。

二、錨拉板結(jié)構(gòu)的施工工序

錨拉板結(jié)構(gòu)作為重要的傳力構(gòu)件，在對其施工時必須嚴(yán)格控制其各道工藝和工序，最為重要的即為對構(gòu)件進(jìn)行焊接時的焊縫質(zhì)量和構(gòu)件尺寸的控制。因此，錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)的組裝焊接順序是否合理，將在很大程度上影響著焊接質(zhì)量及尺寸精度。錨拉板結(jié)構(gòu)各板件進(jìn)行焊接時，應(yīng)按以下工藝和工序來進(jìn)行：(1)先將錨墊板焊接在錨拉筒的底部，此部位的焊縫通常為坡口角焊縫形式；(2)將錨拉筒與錨拉板上部槽口的內(nèi)側(cè)進(jìn)行焊接，通常選用雙面單邊V型熔透角焊縫形式。對該焊縫進(jìn)行探傷檢測合格后，進(jìn)一步用超聲波沖擊法來消除焊縫在焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；(3)對錨拉板進(jìn)行加支撐板，確定上下加勁板的位置，采用熔透角焊縫的形式分別將4塊加勁板焊接于錨拉板的兩邊。焊接完成后，對焊縫進(jìn)行探傷檢測，檢測合格之后，進(jìn)一步用超聲波沖擊法來消除焊縫在焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

三、錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

鋼結(jié)構(gòu)中發(fā)生破壞和失效的位置往往位于焊接區(qū)域，因此，對于錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)的研究大多是圍繞焊縫區(qū)域的疲勞性能而展開的。隨著錨拉板結(jié)構(gòu)在斜拉橋建設(shè)中的應(yīng)用愈加廣泛，國內(nèi)學(xué)者對錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究。

陳康明[1]利用MSC Marc軟件對錨拉板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并制作1:2.5的縮尺模型進(jìn)行了疲勞加載試驗，對該結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和疲勞性能進(jìn)行了研究，確定了結(jié)構(gòu)的危險區(qū)域。陳濤[2]研究了錨拉板結(jié)構(gòu)在最不利索力下各板件的應(yīng)力分布狀態(tài)和疲勞應(yīng)力幅值，分析了板件間焊縫的應(yīng)力分布規(guī)律，最終得出疲勞試驗?zāi)Ｐ偷膽?yīng)力分布，所得到的結(jié)果與原橋模型的應(yīng)力狀態(tài)基本一致。丁秉昊[3]通過有限元分析和足尺模型疲勞試驗，對錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵焊縫的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了研究，并對加勁板厚度變化時對錨拉板受力的影響作了分析。

方志純[4]對錨拉板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明僅僅在很小的區(qū)域存在應(yīng)力集中，大部分區(qū)域的Von Mises應(yīng)力值滿足設(shè)計要求。高何杰等[5]制作了錨拉板結(jié)構(gòu)的足尺模型，并對其進(jìn)行了300萬次疲勞加載試驗，評估了結(jié)構(gòu)的可靠性和受力狀況，結(jié)果表明，疲勞試驗?zāi)Ｐ驮谄谳d荷作用下基本處于彈性階段，錨拉板結(jié)構(gòu)關(guān)鍵區(qū)域的熱點應(yīng)力值較小。石雪飛，周軍勇等[6]以五河淮河大橋為背景，對該橋進(jìn)行試驗和有限元分析，首先在分級索力荷載試驗下得到了錨拉板的應(yīng)力及變形，然后利用ANSYS軟件模擬了兩種連接方式下該結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布與變形。唐武[7]以烏江特大橋為工程背景，對該橋的錨拉板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，基于斷裂力學(xué)計算了結(jié)構(gòu)的疲勞細(xì)節(jié)的疲勞壽命，并應(yīng)用蒙特卡洛法對危險點的可靠度進(jìn)行了評估。

王彥博[8]對錨拉板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了足尺試驗，分析了各焊縫殘余應(yīng)力的分布規(guī)律及特征，并給出了減小殘余應(yīng)力的相關(guān)建議。辛光濤等[9]利用ABAQUS軟件建立了斜拉橋的實體模型，對錨拉板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，通過足尺模型的常幅疲勞加載試驗得到應(yīng)力變化情況，最后與數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行了對比分析。許智強等[10]以西固黃河大橋為背景，建立了斜拉橋的整體有限元模型和錨拉板結(jié)構(gòu)的局部模型，研究了該結(jié)構(gòu)在隨機車載下作用下的應(yīng)力及疲勞狀況。莊義民[11]通過多種建模方法的對比，驗證了錨拉板結(jié)構(gòu)的有限元建模方式，并分析了該結(jié)構(gòu)在最不利的索力作用下的應(yīng)力分布，提出了相應(yīng)的改善應(yīng)力集中現(xiàn)象的措施。

四、結(jié)論

目前，對于錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)的研究，主要是通過靜力試驗和有限元數(shù)值模擬等方式來實現(xiàn)的，雖然國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗研究，但多數(shù)為基于某實際工程背景，對該橋梁理想狀態(tài)下的錨拉板結(jié)構(gòu)的安全性加以驗證，而對結(jié)構(gòu)在服役過程中的疲勞性能的研究性對較少。傳統(tǒng)的研究方法往往忽略了結(jié)構(gòu)中的缺陷，而實際工程中，結(jié)構(gòu)中往往存在著一定初始缺陷和殘余應(yīng)力，將這些因素考慮在內(nèi)，對錨拉板結(jié)構(gòu)在荷載作用下的疲勞性能進(jìn)行研究也更切合實際，基于此研究，可以制定相應(yīng)的檢修計劃，確定檢修周期，從而來保證錨拉板結(jié)構(gòu)在服役過程中的安全性。