斜拉桥涉及的力学知识（大跨径斜拉桥锚拉板受力特征及结构优化研究）

宋闯 杨雨豪 王永峰 于振刚中交第一公路勘察设计研究院有限公司

摘 要：锚拉板式钢结构索梁锚固构造广泛应用在大跨径斜拉桥中。传统锚拉板焊缝末端圆弧过渡段处及锚管末端存在较大的应力集中现象，易形成塑性区，从而引起受拉破坏。为了进一步明确大跨径斜拉桥锚拉板的受力规律，以我国西南地区某跨径组合为200 m 480 m 200 m的双塔三跨组合梁斜拉桥为背景，建立有限元计算模型，对传统构造的锚拉板应力和优化后锚拉板应力进行对比分析研究。结果表明，改进后的构造对改善锚拉板主要板件的受力及解决圆弧过渡段及锚管末端应力集中问题具有显著作用。同时，对优化后的构造围绕锚拉板圆弧过渡段的半径、锚管长度、中部空间长度和后锚拉板长度进行了参数敏感性分析，提出了进一步解决锚拉板应力集中问题的方法，可有效保证锚拉板结构的受力安全。

关键词：大跨径斜拉桥;锚拉板;应力集中;塑性区;结构优化;参数敏感性分析;

基金：交通运输行业重点科技项目，项目编号2021-MS1-049;中交第一公路勘察设计研究院有限公司科技创新基金项目，项目编号KCJJ2021-20;

目前，我国正在大力推广钢结构桥梁的应用，大跨径组合梁和钢箱梁斜拉桥因其良好的受力性能而受到越来越多的青睐。作为大跨径斜拉桥上的主要受力构件，钢结构索梁锚固构造主要有钢锚箱式、锚拉板式、销接式和锚管式[1,2]。锚拉板式锚固构造最早用在加拿大安纳西斯桥中，随后以传力明确、施工方便、便于后期维修和养护等优点得到了广泛应用。锚拉板将主梁巨大的荷载传递至斜拉索，进而传递至索塔，是一个受力复杂的构件。传统使用的锚拉板结构存在应力集中较为突出的问题[3,4,5],锚拉板与锚管的焊缝根部圆弧过渡段及锚管端部应力较大，易出现塑性区[6,7,8],在疲劳荷载作用下会引起锚拉板产生裂纹，严重时会出现受拉破坏[9,10,11,12]。对于大跨径斜拉桥，在较大的索力及荷载作用下，其构造设计与优化显得尤为重要。目前，已有的研究主要集中在传统锚拉板破坏模式的分析和研究方面[13,14],对锚拉板构造的改进及参数优化方面的深入研究相对较少，本文将针对这一问题开展研究。

1 工程概况

本研究以我国西南地区某组合梁斜拉桥为背景，对锚拉板的受力特征进行对比分析，并对其构造进行优化研究，以提高其受力及承载性能。该桥主桥跨径组合为200 m 480 m 200 m, 采用双塔组合梁斜拉桥，为半飘浮结构体系。主梁采用双边工字形组合梁，工字形边主梁、横梁、小纵梁通过摩擦型高强螺栓连接形成钢梁框架，并在其上安装预制混凝土桥面板。预制混凝土桥面板之间通过现浇微膨胀混凝土湿接缝连接形成整体，混凝土桥面板、湿接缝与焊接于钢梁上的抗剪栓钉形成组合梁体系共同受力，斜拉索在梁上通过焊接于边主梁上翼缘的锚拉板锚固。桥梁总体布置如图1所示。

图1 我国西南地区某组合梁斜拉桥桥型布置

2 锚拉板结构受力研究

传统的锚拉板结构由锚拉板本体、锚管、加劲肋、承压板和前锚板组成，如图2所示。

为了更加精确地模拟锚拉板的实际受力状态，建立了3个节段共24 m长的组合梁局部分析模型，在模型两端施加固结约束，研究中间节段上锚拉板的受力规律，以保证受力分析不受边界条件的影响。节段分析模型如图3所示，中间锚拉板的倾角竖向α=30.801 2°。在9 551.2 kN的拉力作用下，各板件应力如图4和图5所示；传统锚拉板的应力见表1。

由图4、图5及表1可知，传统的锚拉板在承压板附近的圆弧倒角处存在较为突出的应力集中现象，锚管与承压板连接位置也存在较大的应力。

3 锚拉板结构优化研究3.1锚拉板结构构造优化

优化后的锚拉板结构由锚拉板本体、锚管、一对长加劲肋、一对短加劲肋，承压板和前锚板组成，承压板与锚拉板本体、长加劲肋互相嵌入并焊接形成整体，长加劲肋、锚拉板底部与主梁上翼缘焊接，如图6所示。

图2 传统锚拉板构造

图3 锚拉板有限元分析节段模型

图4 传统锚拉板构造局部应力集中

图5 传统锚拉板构造局部分析应力云图

表1 传统锚拉板应力

位置	锚拉板N1	承压板N2	锚管N3	加劲肋N4	前锚板N5
板厚/mm	60	60	50	60	30
最大应力MPa最大应力ΜΡa	530	145	314	198	55

图6 优化后锚拉板构造

优化后锚拉板结构的传力路径为斜拉索索力通过索体的锚杯传至承压板，再由承压板传至锚管、长加劲肋、锚拉板本体，短加劲肋主要用于约束锚管变形和保持局部稳定，最终由长加劲肋、锚拉板底部与主梁之间的焊缝将力传递至主梁。传统锚拉板的传力路径为斜拉索索力通过索体的锚杯传至承压板，由承压板传至锚管，再由锚管与锚拉板之间的焊缝传至锚拉板，最终由加劲肋、锚拉板底部的焊缝传至主梁。与传统锚拉板相比，本研究优化后的锚拉板的传力路径更长，锚拉板受力更均匀，可有效地解决传统锚拉板承压板处圆弧过渡段的应力集中问题。

本研究选取与传统锚拉板相同的各板件尺寸与倾角，在与传统锚拉板相同的拉力作用下，各板件应力如图7所示；优化后锚拉板构造圆弧过渡处的应力如图8所示；优化后的锚拉板应力见表2。

图7 优化后锚拉板构造局部分析应力云图

由图4、图5、图7、图8和表2可知，优化后的锚拉板构造能有效地解决锚拉板圆弧过渡段与锚管的应力集中问题，过渡段处应力超过250 MPa的区域范围明显减小，且锚拉板N1板件的最大应力可降低48.1%,锚管N3板件的最大应力可降低28.3%。优化后的锚拉板结构降低了锚拉板主要受力板件的应力，因而可进一步降低锚拉板的板件厚度。

图8 优化后锚拉板构造圆弧过渡段处应力

表2 优化后锚拉板应力

位置	锚拉板N1	承压板N2	锚管N3	短加劲肋N4	长加劲肋N5/N6	前锚板N7
板厚/mm	60	60	50	45	60	30
应力/MPa	275	194	225	95	193	62
百分比/%	-48.1	33.8	-28.3	—	-2.5	12.7

注：百分比(优化后-优化前)/优化前×100%

3.2锚拉板结构参数敏感性分析

优化后的锚拉板结构受力较传统结构有了显著的改善，但其为由多个板件组成的有机整体，各个板件的尺寸及构造细节对其受力状态也有各自不同的影响。在受力分析基础上，本研究将继续探讨优化后锚拉板结构的参数敏感性问题，以进一步获得最优的受力状态。

本研究选取的研究参数为：(1)锚拉板圆弧过渡段的半径R;(2)锚管长度L1;(3)中部空间长度L2;(4)后锚拉板长度L3。R、L1、L2、L3尺寸位置示意如图9所示。

图9 R、L1、L2、L3尺寸位置示意

锚拉板圆弧过渡段的圆弧半径尺寸选取为2.5 cm、10 cm、13 cm、15 cm、17 cm、20 cm和23 cm等7个梯度，在其他板件尺寸及所受拉力均相同的情况下，得到各板件的应力值见表3;变化趋势如图10所示。

表3 不同过渡半径下锚拉板各板件应力

MPa

R/cm	锚拉板N1	承压板N2	锚管N3	短加劲肋N4	长加劲肋N5/N6	前锚板N7
2.5	450	270	234	96	223	52
10	309	219	232	101	250	58
13	287	220	234	102	253	58
15	268	220	234	102	255	59
17	260	220	235	102	257	59
20	275	220	235	102	259	59
23	283	220	236	102	261	60

图10 不同过渡半径下锚拉板各板件应力变化趋势

由表3和图10可知，在优化后的锚拉板构造的各板件中，锚拉板N1的应力随着过渡段半径的增大呈现出先减小后逐渐增大的趋势，因而存在一个最优半径，可使得锚拉板获得最佳的应力水平；承压板N2的应力逐渐减小，锚管N3、长加劲肋N5/N6、短加劲肋N4和前锚板的应力逐渐增大。

锚管长度L1的长度选为1.0 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m和1.8 m等5个梯度，在其他板件尺寸及所受拉力均相同的情况下，得到各板件的应力值见表4,变化趋势如图11所示。

由表4和图11可知，在优化后锚拉板构造的各板件中，锚拉板N1、承压板N2、锚管N3、长加劲肋N5/N6、前锚板N7的应力随着L1的增大呈现逐渐减小的趋势；锚管长度L1对锚拉板N1应力的影响最大，对N4板应力的影响较小。

表4 不同L1长度下锚拉板各板件应力

MPa

L1/m	锚拉板N1	承压板N2	锚管N3	短加劲肋N4	长加劲肋N5/N6	前锚板N7
1.0	314	236	247	102	263	116
1.2	278	232	238	102	259	83
1.4	274	230	234	102	259	59
1.6	270	230	233	102	258	40
1.8	268	229	232	102	257	35

图11 不同L1长度下锚拉板各板件应力变化趋势

中间长度L2的长度选取为0.5 m、0.7 m、0.9 m、1.1 m和1.3 m等5个梯度，在其他板件尺寸及所受拉力均相同的情况下，得到各板件的应力值见表5;变化趋势如图12所示。

表5 不同L2长度下锚拉板各板件应力

MPa

L2/m	锚拉板N1	承压板N2	锚管N3	短加劲肋N4	长加劲肋N5/N6	前锚板N7
0.5	286	259	235	101	288	56
0.7	285	229	237	101	280	57
0.9	283	240	239	102	275	58
1.1	282	226	240	102	271	59
1.3	280	223	241	102	267	59

由表5和图12可知，在优化后锚拉板构造的各板件中，锚拉板N1、承压板N2和长加劲肋N5/N6的应力随着L2的增大呈现逐渐减小的趋势；锚管N3、短加劲肋N4和前锚板N7的应力逐渐增大，但其本身应力不大，并不控制结构构造。

锚拉板后长度L3的长度选取为1.5 m、1.7 m、1.9 m、2.1 m和2.3 m等5个梯度，在其他板件尺寸及所受拉力均相同的情况下，得到各板件的应力值见表6;变化趋势如图13所示。

图12 不同L2长度下锚拉板各板件应力变化趋势

表6 不同L3长度下锚拉板各板件应力

MPa

L3/m	N1	N2	N3	N4	N5/N6	N7
1.5	281	248	239	102	279	58
1.7	284	236	239	102	279	58
1.9	283	240	239	102	275	58
2.1	284	226	239	102	271	58
2.3	284	226	241	102	270	59

图13 不同L3长度下锚拉板各板件应力变化趋势

由表6和图13可知，在优化后锚拉板构造的各板件中，随着L3的增大，锚拉板N1和锚管N3的应力逐渐增大，承压板N2和长加劲肋N5/N6的应力逐渐减小，短加劲肋N4和前锚板N7的应力受到的影响较小。

4 结语

(1)优化后的锚拉板构造对于解决传统锚拉板锚下圆弧过渡段及锚管的局部应力集中问题具有显著的效果，其受力整体性更好，性能较优，大跨径斜拉桥锚拉板宜采用该构造。

(2)通过优化锚拉板圆弧过渡段的半径可进一步有效降低该处的应力水平，其应力随过渡段半径的增大呈现出先增大后减小的趋势。对于不同的工程，可通过试算确定最优半径，以获得最佳的应力状态。

(3)随锚管长度的增大，锚拉板、承压板、锚管、长加劲肋、前锚板的应力呈现逐渐减小的趋势，而N4板应力受到的影响较小，并且锚管长度对锚拉板本身的影响最为显著。可通过适当增大锚管长度，改善各板件的受力状态。

(4)随中部空间长度的增大，锚拉板、承压板和长加劲肋的应力呈现逐渐减小的趋势；而锚管、短加劲肋和前锚板应力虽然逐渐增大，但并不控制构造。

(5)随着后锚拉板长度的增大，锚拉板和锚管的应力逐渐增大，承压板和长加劲肋的应力逐渐减小，短加劲肋和前锚板的应力受到的影响较小。

(6)在锚拉板总高度一定的情况下，可通过适当增大锚管长度、中部空间长度并减小后锚拉板长度来减小锚拉板主要板件的应力。应确定出最合理的3个长度之间的比例，以实现应力最优化。

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