大型錨拉板設計要點分析

摘要：隨著許多大跨徑橋梁及不規則景觀橋的建設，產生了許多受力較大的錨拉板結構。承受大荷載的錨拉板往往尺寸較大，但錨拉板尺寸過大又將帶來影響行車視距、破壞景觀效果等缺陷。文章以鋼結構等效應力為指標，從錨拉板形狀尺寸及角度誤差承受度對大型錨拉板的設計要點進行分析，為該類結構設計提供參考。

關鍵詞：錨拉板;等效應力;第四強度理論;錨拉板尺寸;受力角度誤差

文獻標識碼：U442.5-A-25-082-3

0 引言

一座橋梁及其構件不僅是工程構造物，更是一件建筑藝術品[1]。現階段隨著大跨徑橋梁及不規則景觀橋的建設不斷增加，產生了許多受力較大的錨拉板結構。許多大跨徑橋梁受力較大的錨拉板處于主梁行車道兩側，錨拉板尺寸過大將影響行車視距，景觀橋的錨拉板尺寸過大也將影響景觀整體效果。

本文以鋼結構等效應力（Von Mises Stress）為指標，從錨拉板形狀尺寸及角度誤差承受度對大型錨拉板的設計進行分析，以期為該類結構的設計提供參考。

1 理論基礎[2-3]

等效應力（Von Mises Stress）遵循材料力學第四強度理論（形狀改變比能理論），其認為形狀改變比能是引起材料塑性流動破壞的主要因素。即無論在什么應力狀態，構件內任一點的形狀改變比能Ud達到材料單向拉伸屈服時的形狀改變比能Ud0，該處材料就發生塑性破壞，如式（1）所示：

Ud=（1+v）6E[（σ1-σ2）2+（σ2-σ3）2+（σ3-σ1）2] （1）

式中：σ1，σ2，σ3——受力物體內任一點處的一個單元體上三對相互垂直的平面上的主應力。

根據Ud達到材料單向拉伸屈服時的形狀改變比能Ud0，該處材料就發生塑性破壞的概念，設材料的正應力達到σd0時出現明顯屈服現象，將σ1=σd0、σ2=0、σ3=0代入式（1）可得式（2）：

Ud0=（1+v）3E（σd0）2 （2）

按照第四強度理論，判定臨界條件（Ud=Ud0）可表達為式（3）：

（1+v）6E[（σ1-σ2）2+（σ2-σ3）2+（σ3-σ1）2]=

（1+v）3E（σd0）2 （3）

由式（3）推導出：

12[（σ1-σ2）2+（σ2-σ3）2+（σ3-σ1）2]=σd0 （4）

將σd0除以安全系數后得到材料的臨界拉應力[σ]：

12[（σ1-σ2）2+（σ2-σ3）2+（σ3-σ1）2]≤[σ] （5）

式中，12[（σ1-σ2）2+（σ2-σ3）2+（σ3-σ1）2]為等效應力（Von Mises Stress）的表達式。

2 工況設置

本文分析了數座斜拉橋的拉索索力，選取900 t的索力對錨拉板進行分析。選取的索力較大，對大型錨拉板設計具有指導作用。錨拉板基于傳統大型錨拉板的形狀，設置了三種工況進行分析對比（見圖1～2）。工況一錨拉板主板選取較大的面積，設置較多加勁肋。工況二錨拉板主板選取相較于工況一較小的面積及較少的加勁肋（根據工況一的計算結果進行主板減小）。工況三至工況五在工況二的基礎上將拉索角度進行變化，分析角度與錨拉板軸線產生偏差后受力產生的變化情況。

各工況的錨拉板主板均采用50 mm厚度的Q420鋼板。

本文采用有限元分析軟件對錨拉板進行建模分析，工況1與工況2的模型等效應力如圖3、圖4所示。

由圖3～4應力云圖可看出，錨拉板主板變小，加勁肋變少后最大等效應力由328.884 MPa增加至339.021 MPa，數值增加并不大，且整體應力分布基本一致。相較于工況一，工況二的板件參與受力的比率更大，最大應力水平增加率僅為3%，最大應力受力面積不大，且在Q420鋼材的彈性受力范圍內。但工況二的鋼材使用減少量較工況一超過了30%，且工況二由于更加小巧，景觀效果更佳。因此，本文認為在大型錨拉板設計過程中，應根據實際受力情況選取更加合適的錨拉板尺寸，過大的錨拉板尺寸不僅會造成材料浪費，美觀性不佳，且在整體受力性能上并未得到足夠的提升。設計者可通過多次計算，優化掉未參與受力的鋼材板件，以及選取合適的加勁肋的位置，以達到更加合理的受力，從而提高經濟性以及景觀效果。

在結構尺寸基本確定后，通過工況三到工況五分析安裝角度容許偏差，如圖5～7所示。

由圖5～7應力云圖可看出，角度偏移1°，等效應力由339.021 MPa增加至345.087 MPa，角度偏移3°，等效應力由345.087 MPa增加至356.947 MPa，角度偏移6°，等效應力由356.947 MPa增加至379.510 MPa，考慮到最大等效應力面積位于主板與圓筒橫隔板相交處，應力集中現象在此處較嚴重，開裂風險較大，且鋼板厚度較厚，應力損失較大，應保持一定應力冗余度（本設計考慮15%安全冗余度，即最大容許等效應力為420×0.85=357 MPa），故將安裝角度容許偏差值設置為3°。

3 結語

本文以鋼結構等效應力（Von Mises Stress）為指標，從錨拉板形狀尺寸及角度誤差承受度對大型錨拉板的設計進行分析，為該類結構的設計提供參考。文章得出結論如下：

（1）在900 t索力下，可將錨拉板主板維持在高1.9 m以內、寬2.74 m以內、厚50 mm左右的尺寸，避免過大的累贅感，也使受力經濟性達到較好的水準。主板輪廓可根據景觀要求適當采取合適的弧線。

（2）施工時錨筒角度與拉索角度施工誤差偏移值宜控制在≤3°的區間范圍內。

參考文獻

[1]范立礎.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2017.

[2]宋子康，蔡文安.材料力學[M].上海：同濟大學出版社，1998.

[3]孫訓方，方孝淑，關來秦.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2009.

收稿日期：2021-03-20

作者簡介：韋澤鵬（1991—），碩士，高級工程師，主要從事橋梁設計工作。