铁路斜拉桥锚拉板力学性能研究及创新

2019-10-31张晓江

铁道标准设计 2019年11期

张晓江

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063； 2.中铁建大桥设计研究院,武汉 430063)

1 工程概况

潜江铁路支线岳口汉江特大桥主桥为(32.7+50+93.7+260+38.2) m独塔双索面混合梁斜拉桥,墩梁采用半漂浮结构体系。主桥桥塔类型为钻石型,塔高为156.5 m；主梁采用钢-混组合箱梁形式,其中钢箱梁采用带风嘴的单箱三室截面,中间三室与混凝土主梁三室相对应,由顶板、底板、斜底板、中腹板、边腹板及风嘴围封而成。根据受力和刚度要求,钢箱梁在不同区段采用了不同板厚,共有6个分区,10个梁段类型(钢-混凝土结合段除外)。顶、底板厚度为16～28 mm,钢箱梁设2道中腹板和2道边腹板,中腹板厚度为20～28 mm,边腹板厚度为30～40 mm；根据正交异性钢桥面板疲劳试验结果,顶板均设置纵向V肋,加劲肋厚10 mm、间距600 mm。底板纵向均采用U肋,U肋板厚8 mm,平底板上U肋间距700 mm,斜底板上间距800 mm。钢箱梁标准节段长12 m,节段每隔3 m设置一道实腹横隔板,共计24个钢箱梁节段,最大节段重约1 341 kN。斜拉索与混凝土箱梁采用齿块连接,与钢箱梁采用锚拉板连接,锚拉板倾角与拉索保持一致,考虑拉索非线性垂度影响,纵向倾角最小为26.69°,最大为74.32°,横向倾角从2.45°变化至3.68°。全桥三维模型如图1所示。

图1 岳口汉江特大桥三维模型

大跨度斜拉桥的索梁锚固部分是桥梁结构受力设计的关键,索梁锚固的安全度直接影响全桥设计使用周期[1-11]。目前,大跨度钢箱梁斜拉桥中索梁锚固的形式主要有锚拉板式、锚箱式、锚管式与销铰式,其中锚拉板式在不同大跨度公路斜拉桥中均有应用[12-15],潜江支线岳口汉江特大桥在铁路梁上首次采用了锚拉板的索梁锚固形式,填补了锚拉板在铁路桥型上应用的空白。锚拉板式索梁锚固构造简单,传力途径明确,整个索梁锚固系统位于主梁顶板以上,构件在后期使用过程中的检查、维修、更换较为方便[16-21]。

2 锚拉板构造研究

由于本桥最大活载比例在32%左右,采用剪压承载式锚拉板结构，使得索力向钢套筒的传递更加均匀,同时分散了索力的传递迹线,结构安全冗余度更高。加劲肋主要起到增强横向刚度及增大受拉面积的作用,大部分的锚拉板均沿高度方向设置加劲肋。考虑到本桥锚拉板由腹板伸出,为适应横向角度变化,必然有部分拉板承受面外荷载,同时由于施工偏差,拉板也可能存在部分面外力,为了分散索力,必须要在套筒上设置加劲肋,故本桥仅在套筒上设置加劲肋。

斜拉索横向偏角变化范围为2.794°～4.012°,锚拉板须采用一定措施来适应角度变化,主要方法为在桥面以上一定高度设置双面坡口,将腹板与锚拉板对接熔透焊接。此方法操作简单,且不影响钢箱梁的组装,焊接位于桥面以上,操作空间充足,同时对接熔透焊缝与母材等强,对结构受力影响较小。锚拉板结构示意如图2所示。

图2 锚拉板结构示意

锚拉板与锚拉筒的侧焊缝以及锚拉板与主梁顶板的连接焊缝容易出现应力集中,其中前者的连接焊缝应力集中较为严重,特别是在焊缝根部的圆弧过渡区。研究表明,加大锚拉板与套筒连接焊缝根部的圆弧半径,可以有效改善锚拉板的应力分析；若锚拉板焊接于主梁顶板,则锚固区主梁顶板需加厚,且主梁腹板应增设加劲板。

锚拉板构造上应尽量确保连接可靠,力线传递流畅,避免出现过大的应力集中现象；尽量减少拉索预留构造对主梁的削弱及主肋的切断,锚固点附近的构造要防止局部破坏；外形尽量统一,总体景观效应尽量一致。

3 锚拉板设计关键分析

3.1 关键设计参数

本桥锚拉板关键参数主要通过有限元模型计算确定,主要设计参数如下：套筒长度、承压板厚度、拉板厚度、上盘厚度、肋板厚度,对应设计初始数据分别为：1 054，30，40，25，30 mm。

3.1.1 套筒长度

套筒长度主要指套筒与锚拉板相焊接的部分长度,其长度范围内将拉索的部分索力通过两侧焊缝剪力传递给锚拉板,套筒长度直接影响其与拉板相接处剪应力大小及分布,同时对整个索力分配产生一定影响。以套筒拉板相接处最大剪应力、拉板最大拉应力、拉板最大位移、承压板平均等效应力为指标进行建模分析,得出各指标数据如表1所示。

表1 套筒长度各项分析指标数据

由表1可知,套筒侧焊缝索力占比从0.71上升至0.75时,其套筒长度从1 100 mm增长至1 300 mm,变化较大。套筒长度的增加，一定程度上提升了套筒与上盘传递索力比值,同时降低了承压板索力分担比例,等效应力均值随之减小；随着套筒长度的增加,拉板最大拉应力逐渐变小,从138 MPa减小至108 MPa,整个锚拉板刚度变大,最大位移由0.657 mm减小到0.566 mm。套筒长度每增加200 mm,钢构件净重增加约12.8 kN,各项指标收益不明显,故本文不推荐采用超出1 100 mm的套筒长度。若仅按受力情况布置长度,虽满足受力最优材料最省原则,但同时也会造成拉索出口高度不同,拉索高度参差不齐。因此，套筒实际长度的选取需要满足受力、经济性要求、景观效果等各类因素。

3.1.2 承压板厚度

承压板主要起到与套筒分担索力的作用,同时使得结构承载力保留一定富余。其构造既需满足受力需求,同时又需要保证承压板与套筒之间的索力分担比例处于合适大小。考虑到锚拉板结构最大位移位于承压板边缘位置,故选取最大位移、拉板最大拉应力、承压板最大等效应力等指标,分析承压板厚度变化对受力性能的影响,得出各指标数据如表2所示。

表2 承压板厚度各项分析指标

由表2可知,相对于套筒长度,承压板厚度变化对各项数据指标的影响更为显著,当承压板厚度取为20 mm时,其仅分担约6%索力,而从30 mm增厚至40 mm,承压板分担的索力大小仅从10%增大至11%,变化不大。承压板从20 mm增厚到40 mm时,最大拉应力由134 MPa减小到117 MPa,最大位移由0.621 mm减小到0.576 mm。承压板增加10 mm厚度,钢构件净重增加约2.7 kN,相对于加长套筒更为经济,但30 mm后加厚承压板边界收益小,性能提升不明显。

3.1.3 拉板与上盘厚度

拉板厚度需满足承载能力要求,对索力传递途径基本没有影响。本桥锚拉板由腹板伸出形成,为适应横向角度变化有相应的角度弯折,考虑到有部分拉板需承受一定的面外荷载,同时由于施工偏差,拉板可能存在部分面外力,因此选取5%比例索力作为面外荷载来对拉板厚度进行不同数据指标分析,结果如表3所示。

表3 拉板厚度各项分析指标

由表3可知,圆弧开孔处等效应力与拉应力均较大,应力集中明显,随着板厚增加,应力值逐渐减小。拉板与承压板交接处等效应力较大,拉应力较小。40 mm厚拉板各最大应力均在承载范围内,且有一定富余。

上盘厚度的变化主要影响上盘与套筒侧焊缝之间的索力分配,其构造需要满足受力要求,各数据指标结果如表4所示。

表4 上盘厚度各项分析指标

由表4可知,通过增厚上盘,各项指标变化均较小。上盘构造参数需要满足受力要求,从上盘最大等效应力可以看出，25 mm上盘厚度是较为合适的选择。

3.1.4 肋板厚度

拉索套筒加劲肋主要作用是分担部分索力至套筒顶板,同时增加锚拉板上部的横向刚度,由于肋板尺寸影响轴向力传递,故以不同肋板厚度计算对应的索力占比、等效应力为指标进行分析,结果如表5所示。

由表5可知,肋板厚度的增加使其刚度增大,套筒侧焊缝传递索力比例减小,从0.76减至0.7。肋板厚度的变化对锚拉板索力传递有一定影响。肋板主要作用是分担索力和增加横向刚度,其自身应力应当处于合理范围内,考虑到一定富余30 mm厚较为合适。

表5 肋板厚度各项分析指标

3.2 结构尺寸确定

根据3.1节分析结论确定各细节尺寸,开孔边缘为锚拉板应力集中区域,开孔底缘距箱梁顶缘距离按300 mm控制,开孔圆弧半径采用150 mm,开孔宽度采用套筒外径+300 mm；锚垫板厚度采用80 mm；为便于统一加工及进料,拉索套筒壁厚采用30 mm,在最大索力下其计算最大压应力为108 MPa,最小应力65 MPa；上盘厚度取为25 mm,内径与拉索套筒内径相同,外径取为套筒加劲肋宽度+50 mm；拉索套筒加劲肋按角度均分为四片,高度采用200 mm,板厚30 mm；承压板主要起扩散索力的作用,其平面形式为菱形,其厚度采用30 mm；拉板上宽需承受由拉索套筒直接传递的拉力,经过计算,取值为200 mm,拉板应力最大值为65 MPa,满足规范要求。

根据既有桥计算结论及前期有限元分析结果,拉板与拉索套筒圆弧相接的地方为应力集中的关键点,为控制设计的关键因素,为减少此处应力集中现象,除采取较大的圆弧半径外,同时参考美国规范对于顶板U肋开孔的要求,在圆弧与拉索套筒之间设置50 mm直线段。

4 锚拉板有限元计算

本桥钢箱梁锚拉板型号根据拉索倾斜角度不同共计20种,编号为M01～M20,限于篇幅,本节仅展示最小倾角M20与最大倾角M01对应的锚拉板有限元模型计算结果,同时取索力的5%水平向荷载加于锚垫板处,作为水平荷载安全储备。

4.1 M20锚拉板计算

采用FEA三维有限元对M20锚拉板节段进行建模计算分析,锚拉板节段对应整体与局部实体网格模型如图3所示。

图3 M20锚拉板实体网格模型

取最大索力工况与疲劳荷载工况下锚拉板结构不同位置处应力进行分析,M20锚拉板区域应力云图如图4所示。

图4 M20锚拉板最大索力工况下应力云图(单位：MPa)

拉板应力最大区域为与套筒相接处位置,最大应力值为203 MPa,但其局部影响范围小于0.5%,其他连接区域应力水平均较小,最大值为166 MPa。套筒应力由锚垫板处从下至上逐渐减小,其最大值为225 MPa,满足规范要求。

锚垫板最大局部应力为168 MPa,其应力水平较低,保证了索力的有效传递；锚拉板最大变形为2 mm,变形相对较小,由拉索角度变化引起的二次索力可忽略不计；锚拉板整体疲劳应力较小,除套筒与锚垫板相接处应力集中58 MPa外,其余区域数值均较小,其最大值30 MPa左右,满足规范要求。

4.2 M01锚拉板计算

M01锚拉板节段对应整体与局部实体网格模型如图5所示。

图5 M01锚拉板实体网格模型

最大索力工况锚拉板结构局部区域应力云图如图6所示。

图6 M01锚拉板最大索力工况下应力云图(单位：MPa)

拉板最大应力值为122 MPa,套筒应力最大值为120 MPa,满足规范要求。锚垫板最大局部应力为111 MPa,应力水平较低,保证了索力的有效传递；锚拉板的最大变形为0.4 mm,变形相对较小；锚拉板节段整体疲劳应力较小,套筒与锚垫板相接处应力集中为27 MPa,满足规范要求。

锚拉板结构应力集中点主要位于锚垫板下方的圆弧过渡区、靠近锚拉板下部外边缘处、腹板加劲肋结合处、锚拉板加劲肋区域等,其中锚垫板下方开孔小圆弧处应力集中最为明显。锚拉板其他部分应力及疲劳应力水平较低,均低于钢材容许应力,满足规范要求。锚拉板受力不均匀性较大,其锚下应力向套筒及拉板传递存在一定的扩散范围。实际制作过程中应采用一定的工艺措施,严格保证加工和焊接质量,尽量减小焊接残余变形与应力。

5 锚拉板技术创新

考虑到建造大跨度铁路混合梁斜拉桥具有荷载重、疲劳活载大、动力性能及刚度要求高等特点,若采用传统锚拉板结构,可能会导致结构出现局部应力和疲劳应力幅过大的现象,且之前索梁锚拉板锚固形式在国内铁路斜拉桥上没有应用先例,基于“安全、实用、经济、美观”的设计原则,本桥在大跨度单线铁路斜拉桥中首次创新采用了剪压承载式锚拉板结构。通过在拉板和锚拉管之间增设承压板,优化其细节布置,实现了承压、受剪多路径传力,改变了常规锚拉板焊缝纯受剪的单一传力方式。

本文着重从锚拉板受力构造、不同构件关键设计参数对比、结构尺寸确定、有限元计算等多方面阐述了剪压承载式锚拉板结构创新设计的细节,实现了索梁锚拉板形式在国内大跨铁路斜拉桥梁上的应用突破。

6 结语

潜江支线岳口汉江特大桥在铁路梁上首次采用了锚拉板的索梁锚固形式,填补了锚拉板在铁路斜拉桥型上应用的空白。通过对锚拉板构造与关键设计参数计算分析可知：锚拉板应尽量确保力线传递流畅,尽量减少拉索预留构造对主梁的削弱,总体景观效应尽量保持一致；拉板与拉筒连接焊缝圆弧过渡区应力集中较为严重,加大锚拉板与套筒连接焊缝根部的圆弧半径,可以有效改善锚拉板的应力集中现象,本桥锚拉板过渡区采用150 mm的1/4圆弧形式,并在圆弧与拉索套筒之间设置50 mm直线段。

此外,为验证该桥锚拉板式索梁锚固结构设计的合理性,通过对结构成桥索力及活载索力幅进行分析,选取了M20号斜拉索处锚拉板进行局部足尺静载测试与疲劳性能试验,静载测试数据结果与有限元模型计算吻合较好,在疲劳破坏试验阶段结束后对模型结构焊缝进行了铣车处理,均未发现疲劳裂缝,表明该桥索梁锚固结构疲劳性能良好,具有一定的疲劳强度安全储备,模型试验如图7所示。