锚拉板式索梁锚固结构疲劳性能的研究进展

(武汉理工大学 湖北 武汉 430070)

斜拉桥的索梁锚固结构按构造形式差异主要分为：钢锚箱式、耳板式、锚管式和锚拉板式。以上4种索梁锚固结构形式在构造上存在着明显的差异，其传力路径和受力特点也有着较大的区别，本文重点对锚拉板式索梁锚固结构的研究现状进行综述。

一、锚拉板式索梁锚固结构的特点

锚拉板式索梁锚固结构的构成板件有：锚拉板、锚垫板、锚拉筒以及加劲肋等，如图1所示，锚拉板结构可分为上、中、下三部分，通常其上部开槽，在槽口处通过连接焊缝将锚拉筒焊接在槽口内侧，锚拉筒底部与锚垫板相连接，斜拉索贯穿锚拉筒并通过锚具固定于锚垫板的底面。其传力途径为：斜拉索—锚拉筒—锚拉板—钢箱梁。

图1 锚拉板式索梁锚固结构

锚拉板式索梁锚固结构板件间的传力主要依靠焊缝，其中锚拉板与锚拉筒、锚拉板与主梁顶板间的连接焊缝为关键焊缝，在这些区域由于几何形状发生突变，都存在严重的应力集中。采用此锚固形式的斜拉桥有加拿大安纳西斯桥以及我国的湛江海湾大桥，青州闽江大桥等。

二、锚拉板结构的施工工序

锚拉板结构作为重要的传力构件，在对其施工时必须严格控制其各道工艺和工序，最为重要的即为对构件进行焊接时的焊缝质量和构件尺寸的控制。因此，锚拉板式索梁锚固结构的组装焊接顺序是否合理，将在很大程度上影响着焊接质量及尺寸精度。锚拉板结构各板件进行焊接时，应按以下工艺和工序来进行：(1)先将锚垫板焊接在锚拉筒的底部，此部位的焊缝通常为坡口角焊缝形式；(2)将锚拉筒与锚拉板上部槽口的内侧进行焊接，通常选用双面单边V型熔透角焊缝形式。对该焊缝进行探伤检测合格后，进一步用超声波冲击法来消除焊缝在焊接过程中产生的残余应力；(3)对锚拉板进行加支撑板，确定上下加劲板的位置，采用熔透角焊缝的形式分别将4块加劲板焊接于锚拉板的两边。焊接完成后，对焊缝进行探伤检测，检测合格之后，进一步用超声波冲击法来消除焊缝在焊接过程中产生的残余应力。

三、锚拉板式索梁锚固结构的研究现状

钢结构中发生破坏和失效的位置往往位于焊接区域，因此，对于锚拉板式索梁锚固结构的研究大多是围绕焊缝区域的疲劳性能而展开的。随着锚拉板结构在斜拉桥建设中的应用愈加广泛，国内学者对锚拉板式索梁锚固结构进行了大量的研究。

陈康明[1]利用MSC Marc软件对锚拉板结构进行了数值模拟，并制作1:2.5的缩尺模型进行了疲劳加载试验，对该结构的应力和疲劳性能进行了研究，确定了结构的危险区域。陈涛[2]研究了锚拉板结构在最不利索力下各板件的应力分布状态和疲劳应力幅值，分析了板件间焊缝的应力分布规律，最终得出疲劳试验模型的应力分布，所得到的结果与原桥模型的应力状态基本一致。丁秉昊[3]通过有限元分析和足尺模型疲劳试验，对锚拉板式索梁锚固结构的关键焊缝的应力状态进行了研究，并对加劲板厚度变化时对锚拉板受力的影响作了分析。

方志纯[4]对锚拉板结构的应力状态进行了数值模拟分析，结果表明仅仅在很小的区域存在应力集中，大部分区域的Von Mises应力值满足设计要求。高何杰等[5]制作了锚拉板结构的足尺模型，并对其进行了300万次疲劳加载试验，评估了结构的可靠性和受力状况，结果表明，疲劳试验模型在疲劳载荷作用下基本处于弹性阶段，锚拉板结构关键区域的热点应力值较小。石雪飞，周军勇等[6]以五河淮河大桥为背景，对该桥进行试验和有限元分析，首先在分级索力荷载试验下得到了锚拉板的应力及变形，然后利用ANSYS软件模拟了两种连接方式下该结构的应力分布与变形。唐武[7]以乌江特大桥为工程背景，对该桥的锚拉板结构进行了研究，基于断裂力学计算了结构的疲劳细节的疲劳寿命，并应用蒙特卡洛法对危险点的可靠度进行了评估。

王彦博[8]对锚拉板结构进行了足尺试验，分析了各焊缝残余应力的分布规律及特征，并给出了减小残余应力的相关建议。辛光涛等[9]利用ABAQUS软件建立了斜拉桥的实体模型，对锚拉板结构进行优化设计，通过足尺模型的常幅疲劳加载试验得到应力变化情况，最后与数值分析结果进行了对比分析。许智强等[10]以西固黄河大桥为背景，建立了斜拉桥的整体有限元模型和锚拉板结构的局部模型，研究了该结构在随机车载下作用下的应力及疲劳状况。庄义民[11]通过多种建模方法的对比，验证了锚拉板结构的有限元建模方式，并分析了该结构在最不利的索力作用下的应力分布，提出了相应的改善应力集中现象的措施。

四、结论

目前，对于锚拉板式索梁锚固结构的研究，主要是通过静力试验和有限元数值模拟等方式来实现的，虽然国内学者进行了大量的试验研究，但多数为基于某实际工程背景，对该桥梁理想状态下的锚拉板结构的安全性加以验证，而对结构在服役过程中的疲劳性能的研究性对较少。传统的研究方法往往忽略了结构中的缺陷，而实际工程中，结构中往往存在着一定初始缺陷和残余应力，将这些因素考虑在内，对锚拉板结构在荷载作用下的疲劳性能进行研究也更切合实际，基于此研究，可以制定相应的检修计划，确定检修周期，从而来保证锚拉板结构在服役过程中的安全性。