某高速铁路斜拉桥锚拉板的局部应力分析

摘要 斜拉桥锚拉板的锚下局部区域存在明显的应力集中现象。为改善该处受力，文章通过有限元仿真对锚拉板的几何尺寸、形状进行参数对比分析，得出如下结论：增加拉板、加劲肋及锚管的板件厚度与增大过渡段圆弧半径均可不同程度地减小锚下过渡区域应力峰值。其中，增大应力集中区圆弧过渡半径的方式效果最显著。

关键词 锚拉板;斜拉桥;应力集中;有限元

中图分类号 U441 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）11-0148-03

引言

索梁锚固是斜拉桥的重要构造之一，其可靠性对桥梁整体安全至关重要。其构造主要有锚箱、耳板、锚管、锚拉板等结构形式。其中锚拉板因传力路径明确、施工和运营期间维护方便等优点，在斜拉桥设计中得到了广泛应用。国内研究者的试验及数值模拟研究结果表明，锚拉板锚下区域是应力集中最为明显的地方[1-4]。该文依托实际工程，研究了锚拉板几何参数对该应力集中区域的影响规律。

1 工程概况

依托工程为某高速铁路主跨325 m的钢-混组合梁斜拉桥，其桥型布置如图1所示。每个桥塔两侧各设13对索斜拉索，采用平行索面的布置形式，索梁锚固采用锚拉板形式。

如图2所示，该桥采用的锚拉板结构主要含垫板、锚管、拉板以及加劲肋等板件。拉板上部开槽，槽口内侧与锚管焊接，斜拉索穿过锚管并锚固在锚管底部的锚板上。拉板底部与主梁连接，其两侧设有加劲板，用来补偿开槽对锚拉板截面的削弱，并增强锚拉板的横向刚度。

2 锚拉板结构受力分析

根据桥梁整体结构静力分析结果，边跨最外侧拉索S13号索力最大，锚拉板结构承受荷载最大，选取该斜拉索的锚拉板作为研究对象进行研究。S13号索水平倾角30°，最大索力7 204 kN。借鉴国内其他同类型斜拉桥锚拉板板厚取值经验，初步拟定的锚拉板结构各板件厚度如下：拉板40 mm、锚固40 mm、加劲肋30 mm、垫板120 mm，其余板件按常规尺寸取。锚下拉板圆弧过渡半径为45 mm。

有限元模型中锚拉板结构板件均采用壳单元模拟，单元控制尺寸为10 mm，共计约49万个壳单元。锚拉板采用Q420钢材，弹性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3。在腹板端部施加固定约束，索力沿锚管轴线方向均匀施加在垫板上，其线性静力计算结果如图3所示。

与国内其他斜拉桥锚拉板的有限元计算结果类似，此类型锚拉板存在应力集中区域，例如：垫板下方拉板的圆弧过渡区域、锚管与拉板倒圆相交区域等。其中，垫板下方拉板的圆弧过渡区域应力集中最为显著，该区域最大应力776 MPa，远超Q420屈服应力。

3 锚拉板锚下区域受力参数比较分析

锚下区域由于锚拉板结构本身几何形状发生突变而引起应力集中。为进一步研究影响该区域应力集中的原因，分别采取改变“锚拉板各部件板厚”“过渡圆弧半径”的措施对比分析各种措施对该处应力的影响。首先，在原锚拉板尺寸的基础上，分别将拉板、加劲肋、锚管以及垫板的厚度作为变化量，计算圆弧过渡区域最大VON-MISES应力。

从图4可知，除垫板外，增加拉板、加劲肋、锚管板件厚度时对圆弧过渡区域应力均有不同程度改善，且板厚增加量与应力减小梁基本呈线性变化。每分别增加拉板、加劲肋和锚管1 mm厚度时，圆弧过渡区最大应力分别减少6.025 MPa、5.1 MPa和3.95 MPa。

同时，为分析圆弧过渡半径对过渡区最大应力的影响，分别建立过渡半径为25 mm、35 mm、45 mm、50 mm、

55 mm、60 mm及75 mm的錨拉板有限元模型，得出不同圆弧半径时过渡区最大应力如图5所示。

计算结果表明，随着圆弧半径增加，过渡区应力峰值减少，每增加1 mm半径，圆弧区域应力减少5.78 MPa。

4 锚拉板的板厚及形状优化

根据前述计算结果，增加拉板、加劲肋及锚管厚度与增大过渡段圆弧半径均可减小锚下过渡区域应力峰值。适当增大圆弧半径比增加板厚更经济，但过渡区半径增大同时，锚拉板整体尺寸也会相应变大，景观效果变差。因此，须综合考虑增加板厚与增加半径两种措施。该桥在初步拟定尺寸的基础上，将锚拉板各板件的板厚优化为：拉板50 mm，加劲肋45 mm，锚管45 mm，过渡段圆弧半径75 mm。

图6为优化后锚拉板VON-MISES应力云图，与优化前相比，圆弧过渡区应力峰值从776 MPa减少至482 MPa，应力大于390 MPa的区域也明显减少，但仍有极少部分区域超过钢材屈服应力。为验证结构发生塑性变形后的受力状况，建立考虑材料非线性的有限元模型，计算结果如图7所示。

从图中可以看出，考虑材料非线性前后锚拉板中其余关键位置的应力分布变化不大，说明发生塑性的区域较小且未扩散，可认为结构是安全的。

5 结论

该文通过对锚拉板的各主要板件厚度及锚下过渡区域圆弧半径取值进行参数化分析，得出如下结论：增加锚拉板的拉板、加劲肋及锚管的厚度在一定程度上课减少过渡段应力峰值;与增大板厚相比，增大应力集中区域圆弧半径的方式能显著减少锚下过渡区域的应力峰值。在上述结论基础上，对原锚拉板进行尺寸优化并进行弹性、弹塑性有限元分析。结果表明，优化后的锚拉板在荷载作用下，发生塑性的区域明显减少，受力满足要求。

参考文献

[1]侯文崎， 叶梅新. 结合梁斜拉桥锚拉板结构研究[J]. 钢结构， 2002（2）： 23-27.

[2]姚建军， 李军. 厦漳跨海大桥北汊主桥锚拉板锚下区域受力分析[J]. 桥梁建设， 2013（4）： 39-43.

[3]杨旭东， 李元福， 黄昌凯， 等. 斜拉桥锚拉板受力特性及参数影响研究[J]. 现代交通技术， 2019（1）： 52-55+66.

[4]郑纲， 刘宏. 武汉二七长江大桥锚拉板模型试验研究[C]. 钢结构工程研究⑧——中国钢协结构稳定与疲劳分会第12届（ASSF-2010）学术交流会暨教学研讨会论文集， 2010： 694-704.

收稿日期：2022-03-18

作者简介：陈斌（1986—），男，博士，高级工程师，研究方向：大跨度桥梁设计。