安海湾大桥锚拉板力学性能研究

■方志纯

(福建省交通规划设计院，福州 350004）

安海湾大桥锚拉板力学性能研究

■方志纯

(福建省交通规划设计院，福州 350004）

本文以安海湾大桥锚拉板为研究对象，通过介绍锚拉板的结构特点和国内外应用现状，结合安海湾大桥工程实际，建立了有限元模型对锚拉板力学性能进行了分析和阐述。研究表明：锚拉耳板与锚管焊缝部以及锚垫板过焊孔内角与锚拉板连接处存在较严重的应力集中现象，但区域很小；绝大部分区域的Mises应力值小于容许应力，满足规范要求。锚拉板式锚固结构设计合理，制造焊接工艺可靠。

索梁锚固结构 锚拉板 有限元法 应力集中

1 锚拉板特点

斜拉桥的索梁锚固结构是斜拉桥的关键受力部位，斜拉索锚固的可靠性直接关系到全桥的安全度。斜拉桥中的索力斜向集中地作用于斜拉桥主梁的锚固点，索梁锚固结构必须能顺畅地将索力可靠地传递给主梁。在其传力过程中，锚固点附近都会产生较大的应力集中。国内外已经修建的许多大跨度斜拉桥都把索梁锚固区作为设计分析的重点之一，目前主要采用模型试验与有限元分析相结合的研究方法，研究斜拉桥索梁锚固区的索力传递机理和应力分布及疲劳性能。

斜拉索与钢主梁的锚固形式主要有：锚箱式、散索鞍座加锚固梁、锚管式、支架或牛腿、耳板式(销铰式）、锚拉板式等。斜拉索与混凝土梁的锚固形式包括：顶板锚固块式、箱内锚固块式、斜隔板锚固式、梁体两侧设锚固块式、梁底锚固块式、锚拉板式等。锚拉板式索梁锚固结构是将锚拉板与主梁顶板直接焊接，分上、中、下三个部分，由承压板、锚拉筒、锚拉板、加劲板及加强板等组成。锚拉筒与锚拉板通过焊缝连接，锚拉板接焊在主梁梁顶板加强板上，正下方是腹板，锚拉板上还焊有加劲板。斜拉索穿过锚拉筒，锚固在锚拉筒的承压板上。传力途径为：索力通过锚筒与拉板的连接焊缝传递给拉板，再由拉板和主梁顶板(或侧腹板）的连接焊缝，将索力传递给主梁。锚拉板式索梁锚固结构最早被加拿大安纳西斯桥采用，其受力明确、施工简单、便于加工、易于维护的结构特点使之得到了广泛的应用，美国的新库珀河大桥，国内已建成的福建青州闽江大桥、颗珠山大桥、灌河特大桥、重庆丰都长江二桥、厦漳跨海大桥、湛江海湾大桥等均采用了这种锚固形式。

鉴于锚拉板作为传力主要受力构件,且锚拉板仅下缘与主梁焊接在一起,锚拉板抗拉能力以及锚拉板与主梁、锚拉板与锚拉管焊接处抗剪能力直接关系到整座桥梁安全与稳定,因此在桥梁设计阶段很有必要对锚拉板典型结构做空间有限元分析,以便使斜拉桥索梁锚固结构设计安全、合理。

2 工程概况

拟建的安海湾大桥经过方案比选，决定采用平行双索面叠合梁双塔斜拉桥，跨径组合为 (135+300+135）m=570m，塔梁为半漂浮体系，主梁采用组合梁形式，斜拉索纵桥向索面布置为扇形索。在主桥设计阶段，全桥总体静力、动力分析，采用MIDAS/Civil 2013空间桥梁专用程序建立模型，施加各工况荷载并按设计规范加以组合，验算了上部结构和下部结构的受力状态。全桥三维模型如图1所示：

图1 安海湾大桥MIDAS三维模型

安海湾大桥的索梁锚固区采用的是锚拉板形式。锚拉板由锚拉耳板、拉板加劲肋、锚管、前锚板和锚垫板组成，其中锚拉耳板中、上部开槽，锚管嵌于锚拉耳板上部槽口处，并预留斜拉索锚具安装空间，锚管两侧与锚拉板焊接，斜拉索穿过锚管并用锚固于锚管底部；拉板加劲肋横桥向对称设置，锚拉耳板与工字钢顶部焊接。锚垫板与锚拉耳板、拉板加劲肋连成整体，以分散拉索传递的集中力；同时将拉板加劲肋向上抬高15cm，不再焊接于钢主梁顶缘，其构造如图2所示。

3 锚拉板力学性能分析

本文分析选取了具有代表性的最小倾角的边跨拉索B12斜拉索锚固点进行计算分析，其对应G类梁段，该位置应力集中最为明显。由静力分析知边主梁G梁段应力等效应力最大值为143MPa。表1为B12斜拉索的设计资料。

图2 锚拉板构造图

表1 B12斜拉索力学参数

3.1 计算模型

锚拉耳板、加劲肋与钢主梁熔透焊接，边界条件为在钢主梁顶缘即锚拉耳板底缘固结。模型采用的参数如下：

(1）单元：四面体实体单元 。

(2）荷载：考虑在拉索索力下锚拉板的受力行为。

(3）边界条件：锚拉耳板和加劲板底缘固结。

锚拉板有限元模型见图3，计算参数如表2所示。

图3 锚拉板有限元模型

表2 锚拉板计算参数表

3.2 分析结果

(1）锚拉耳板N1

锚拉耳板等效应力 (von mises应力）云图如图4所示：

最大应力发生在锚拉耳板上部开口倒角的位置，最大值为385.5MPa，锚拉耳板大部分区域应力在300MPa以下，向下应力迅速扩散。

(2）拉板加劲肋板N2/N3和N2a/N3a

拉板加劲肋N2/N3和N2a/N3a等效应力 (von mises应力）云图5如所示：

拉板加劲肋N2/N3位于锚管与锚拉耳板连接的区域应力水平显著高于其他位置的应力水平，最大应力104.9MPa，应力向两端迅速扩散；拉板加劲肋N2a/N3a最下缘应力最大为139MPa。

(3）前锚板 N6

前锚板N6等效应力(von mises应力）云图如图6所示：

前锚板上的应力水平较低，最大14.6Pa。

(4）锚管 N4

锚管N4等效应力(von mises应力）云图如图7所示：

图4 锚拉耳板等效应力云图(MPa）

图5 拉板加劲肋板等效应力云图(MPa）

图6 前锚板N6等效应力云图(MPa）

图7 锚管N4等效应力云图(MPa）

锚管上部的等效应力在0～133MPa间，应力极值发生在与锚垫板接触位置、靠近拉板焊缝处为132.6MPa。

(5）锚垫板 N7

钢垫板N7等效应力(von mises应力）云图如图8所示：极值应力值为288.7MPa，位于过焊孔内角锚垫板与锚拉耳板连接处，大部分区域应力在250MPa以下。

图8 锚垫板N7等效应力云图(MPa）

锚拉板应力结构汇总见表3。

表3 B12拉索锚拉板应力汇总表(MPa）

通过以上计算比较可以看出，在最大索力作用下，锚拉耳板与锚管焊缝部以及锚垫板过焊孔内角与锚拉板连接处存在较严重的应力集中现象，但区域很小；绝大部分区域的Mises应力值小于容许应力，满足规范要求。

4 结语

通过对安海湾大桥锚拉板式索梁锚固结构进行有限元分析及工程应用，得出如下结论：

(1）锚拉板式索梁锚固结构具有受力明确、施工简单、便于加工、易于维护的优点，但同时锚拉耳板与锚管焊缝部以及锚垫板过焊孔内角与锚拉板连接处存在较严重的应力集中现象。设计中在构造条件允许的情况下，尽可能加大锚拉板与锚拉筒连接焊缝根部的圆弧半径，采用优质的焊接工艺，可以有效改善锚拉板的应力分布。

(2）安海湾大桥锚拉板应力集中区域很小，绝大部分区域的Mises应力值小于容许应力，满足规范要求。锚拉板与顶板加强板连接可靠，索梁锚固结构的承载能力达到设计要求，并具有较大的安全储备。锚拉板式锚固结构设计合理，制造焊接工艺可靠。

(3）索梁锚固区作为斜拉桥局部受力分析的关键部位，设计时应单独考虑其应力状态。建立有限元模型进行分析，计算精度满足工程设计需要。也可采用模型试验的分析方法辅助设计。

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