斜拉索外置式钢锚管锚固结构细部构造与力学性能研究

【摘要】：斜拉索外置式锚固结构具有便于拉索系统检测、养护、更换施工等优点,但锚固结构细部构造复杂,结构受力集中,在桥梁设计时需要重点关注其力学性能。本文依托交通运输部“三峡库区奉建高速公路安全智能建造科技示范工程”项目,从斜拉桥锚固结构设计原则出发,研究外置式钢锚管锚固结构细部构造对结构受力与变形的影响,通过ANSYS精细有限元模型进行结构参数敏感性分析,对外置式钢锚管锚固结构进行优化设计,进一步研究了结构静力性能和疲劳性能,为实体工程推广应用提供了技术支撑。论文主要工作与结论如下:(1)基于斜拉桥锚固结构设计原则和内置式锚管锚固结构构造特点,提出外置式锚管锚固结构初步设计结构。进行锚固结构设计参数的敏感性分析,探究了结构倾角、锚固腹板厚度及倒角半径、加劲板厚度及数量和锚管厚度设计参数与结构性能的内在关系,确定了主导结构工作性能的关键设计参数:锚固腹板厚度及倒角半径和锚管厚度。针对如何进一步提高结构承载力提出了五点构造措施,以供参考。(2)通过对锚固结构关键设计参数的敏感性分析,进一步基于结构优化设计数学模型,以锚固腹板倒角半径和锚管内径作为输入参数,结构最大等效应力作为输出参数,利用零阶法和筛选优化方法来进行优化设计,建立输入参数和输出参数之间的拟合公式与响应关系,在此基础上提出外置式锚固结构优化设计方案。(3)依托科技示范工程,开展外置式锚固结构静力性能对比研究。建立桥梁Midas整体有限元模型、初步设计和优化设计的锚固结构节段梁体的ANSYS精细有限元模型,对比分析了锚固结构的受力与变形规律,发现在锚固腹板下端倒角位置出现了应力集中。加大腹板倒角半径1.5%后锚固结构应力集中处的Mises应力减小了12.67%。锚固腹板与主梁腹板焊接的两端,锚固腹板与钢锚管焊接的下端应力分布较大,优化结构极限承载力提高了3.0%。(4)依托科技示范工程,开展外置式锚固结构疲劳性能对比研究。建立锚固结构节段梁体的ANSYS精细有限元模型,结构高周疲劳分析采用Workbench的Fatigue Tool进行,S-N曲线采用我国的JTG D64-2015规范和英国的BS5400规范,结构疲劳验算采用钢结构设计标准规范GB 50017-2017、美国的AASHTO规范,结构疲劳寿命分析采用断裂力学理论中的Paris公式进行。结果表明:优化结构锚固腹板下端倒角位置的疲劳正应力降低了22%,疲劳剪应力降低了19%;钢锚管与锚固腹板焊接部位初始裂纹深度0.5mm时的疲劳寿命为214年,裂纹深度40mm为应力强度因子阈值;钢锚管与锚固腹板焊接部位初始裂纹宽度大于0.15mm时,对结构疲劳寿命影响较大。研究结果对外置式锚固结构加工、焊接具有指导意义。