某高速鐵路斜拉橋錨拉板的局部應力分析

摘要 斜拉橋錨拉板的錨下局部區域存在明顯的應力集中現象。為改善該處受力，文章通過有限元仿真對錨拉板的幾何尺寸、形狀進行參數對比分析，得出如下結論：增加拉板、加勁肋及錨管的板件厚度與增大過渡段圓弧半徑均可不同程度地減小錨下過渡區域應力峰值。其中，增大應力集中區圓弧過渡半徑的方式效果最顯著。

關鍵詞 錨拉板;斜拉橋;應力集中;有限元

中圖分類號 U441 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）11-0148-03

引言

索梁錨固是斜拉橋的重要構造之一，其可靠性對橋梁整體安全至關重要。其構造主要有錨箱、耳板、錨管、錨拉板等結構形式。其中錨拉板因傳力路徑明確、施工和運營期間維護方便等優點，在斜拉橋設計中得到了廣泛應用。國內研究者的試驗及數值模擬研究結果表明，錨拉板錨下區域是應力集中最為明顯的地方[1-4]。該文依托實際工程，研究了錨拉板幾何參數對該應力集中區域的影響規律。

1 工程概況

依托工程為某高速鐵路主跨325 m的鋼-混組合梁斜拉橋，其橋型布置如圖1所示。每個橋塔兩側各設13對索斜拉索，采用平行索面的布置形式，索梁錨固采用錨拉板形式。

如圖2所示，該橋采用的錨拉板結構主要含墊板、錨管、拉板以及加勁肋等板件。拉板上部開槽，槽口內側與錨管焊接，斜拉索穿過錨管并錨固在錨管底部的錨板上。拉板底部與主梁連接，其兩側設有加勁板，用來補償開槽對錨拉板截面的削弱，并增強錨拉板的橫向剛度。

2 錨拉板結構受力分析

根據橋梁整體結構靜力分析結果，邊跨最外側拉索S13號索力最大，錨拉板結構承受荷載最大，選取該斜拉索的錨拉板作為研究對象進行研究。S13號索水平傾角30°，最大索力7 204 kN。借鑒國內其他同類型斜拉橋錨拉板板厚取值經驗，初步擬定的錨拉板結構各板件厚度如下：拉板40 mm、錨固40 mm、加勁肋30 mm、墊板120 mm，其余板件按常規尺寸取。錨下拉板圓弧過渡半徑為45 mm。

有限元模型中錨拉板結構板件均采用殼單元模擬，單元控制尺寸為10 mm，共計約49萬個殼單元。錨拉板采用Q420鋼材，彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3。在腹板端部施加固定約束，索力沿錨管軸線方向均勻施加在墊板上，其線性靜力計算結果如圖3所示。

與國內其他斜拉橋錨拉板的有限元計算結果類似，此類型錨拉板存在應力集中區域，例如：墊板下方拉板的圓弧過渡區域、錨管與拉板倒圓相交區域等。其中，墊板下方拉板的圓弧過渡區域應力集中最為顯著，該區域最大應力776 MPa，遠超Q420屈服應力。

3 錨拉板錨下區域受力參數比較分析

錨下區域由于錨拉板結構本身幾何形狀發生突變而引起應力集中。為進一步研究影響該區域應力集中的原因，分別采取改變“錨拉板各部件板厚”“過渡圓弧半徑”的措施對比分析各種措施對該處應力的影響。首先，在原錨拉板尺寸的基礎上，分別將拉板、加勁肋、錨管以及墊板的厚度作為變化量，計算圓弧過渡區域最大VON-MISES應力。

從圖4可知，除墊板外，增加拉板、加勁肋、錨管板件厚度時對圓弧過渡區域應力均有不同程度改善，且板厚增加量與應力減小梁基本呈線性變化。每分別增加拉板、加勁肋和錨管1 mm厚度時，圓弧過渡區最大應力分別減少6.025 MPa、5.1 MPa和3.95 MPa。

同時，為分析圓弧過渡半徑對過渡區最大應力的影響，分別建立過渡半徑為25 mm、35 mm、45 mm、50 mm、

55 mm、60 mm及75 mm的錨拉板有限元模型，得出不同圓弧半徑時過渡區最大應力如圖5所示。

計算結果表明，隨著圓弧半徑增加，過渡區應力峰值減少，每增加1 mm半徑，圓弧區域應力減少5.78 MPa。

4 錨拉板的板厚及形狀優化

根據前述計算結果，增加拉板、加勁肋及錨管厚度與增大過渡段圓弧半徑均可減小錨下過渡區域應力峰值。適當增大圓弧半徑比增加板厚更經濟，但過渡區半徑增大同時，錨拉板整體尺寸也會相應變大，景觀效果變差。因此，須綜合考慮增加板厚與增加半徑兩種措施。該橋在初步擬定尺寸的基礎上，將錨拉板各板件的板厚優化為：拉板50 mm，加勁肋45 mm，錨管45 mm，過渡段圓弧半徑75 mm。

圖6為優化后錨拉板VON-MISES應力云圖，與優化前相比，圓弧過渡區應力峰值從776 MPa減少至482 MPa，應力大于390 MPa的區域也明顯減少，但仍有極少部分區域超過鋼材屈服應力。為驗證結構發生塑性變形后的受力狀況，建立考慮材料非線性的有限元模型，計算結果如圖7所示。

從圖中可以看出，考慮材料非線性前后錨拉板中其余關鍵位置的應力分布變化不大，說明發生塑性的區域較小且未擴散，可認為結構是安全的。

5 結論

該文通過對錨拉板的各主要板件厚度及錨下過渡區域圓弧半徑取值進行參數化分析，得出如下結論：增加錨拉板的拉板、加勁肋及錨管的厚度在一定程度上課減少過渡段應力峰值;與增大板厚相比，增大應力集中區域圓弧半徑的方式能顯著減少錨下過渡區域的應力峰值。在上述結論基礎上，對原錨拉板進行尺寸優化并進行彈性、彈塑性有限元分析。結果表明，優化后的錨拉板在荷載作用下，發生塑性的區域明顯減少，受力滿足要求。

參考文獻

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收稿日期：2022-03-18

作者簡介：陳斌（1986—），男，博士，高級工程師，研究方向：大跨度橋梁設計。