摘 要

随着我国大跨度斜拉桥的发展，对斜拉桥索梁锚固结构的要求越来越高。锚拉板式索梁锚固结构具有受力明确、施工方便等诸多优点，在越来越多的斜拉桥中被采用。但锚拉板结构构造复杂，并不可避免地存在着较大的集中应力和焊接残余应力，它们将影响锚拉板的疲劳性能，进而直接危及大桥的使用安全性。因此，对锚拉板的应力状况和疲劳性能进行研究较为重要。本文以西固黄河大桥为工程背景，利用大型通用有限元分析软件ANSYS对其锚拉板结构的应力状况和疲劳性能进行了分析研究。主要工作如下：

1. 运用大型通用有限元软件ANSYS建立了西固黄河大桥整体有限元模型，以及锚拉板的局部有限元模型，并进行了静、动力分析和验证分析；
2. 运用静力法提取斜拉索的索力影响线，再利用MATLAB插值叠加车辆荷载，最后叠加上成桥索力得到随机车辆荷载作用下的斜拉索总索力；
3. 研究随机车辆荷载作用下锚拉板焊缝上各关键点的应力并考虑焊接残余应力的影响，得到随机车辆荷载作用下锚拉板焊缝应力曲线，进而分析其疲劳性能。

关键词：锚拉板；索梁锚固区；疲劳分析；移动荷载

Abstract

With the development of long-span cable-stayed bridge in our country, the requirements on the cable-girder anchorage of a long-span cable-stayed are getting higher and higher. The tensile anchor plate structure in cable-beam anchorage zones has been more frequently applied to modern cable-stayed bridges, relying on its remarkable advantages, such as explicit force transmission route, convenience in construction. However, the cable-girder anchorage zones of cable-stayed bridges have complicated structure and there is a large concentration of stress and welding residual stress. They will affect the fatigue properties of the tensile anchor plate, and thus directly endanger the safety of the use of the bridge. It is important to know the strength and fatigue property of the tensile anchor plate structure. Author applied the general finite element program—ANSYS to analyze the Cable-girder anchorage with tensile anchor plate of Xigu Yellow River Bridge. The content of the paper is as follows:

1. In this paper, the accuracy of large general purpose finite element software ANSYS to establish the whole finite element model of Xigu Yellow River Bridge and the local finite element model of tensile anchor plate, and then extract the value of the collation model by dynamic method and static method.
2. The authors use the static method to extract the stay cable force influence line, using MATLAB interpolation superposition of vehicle load to get random total cable force of cable stay under vehicle load.
3. In this paper, we study the random under vehicle load of each measuring point on the anchor tensile plate weld stress and considering the influence of welding residual stress. Anchor under random vehicle load tensile plate weld stress changing with time curve, and then analyzes its fatigue performance.

Key Words: tensile anchor plate; cable-girder anchorage zone; fatigue analysis; traveling load

目 录

第一章 绪论 1

1.1斜拉桥的历史与发展 1

1.2斜拉桥的索面布置与结构体系 2

1.2.1 斜拉桥的索面布置 2

1.2.2 斜拉桥的结构体系 2

1.3 斜拉桥索梁锚固的主要形式 2

1.3.1 锚管式 3

1.3.2 锚箱式 4

1.3.3 耳板式 4

1.3.4 锚拉板式 5

本章小结 6

第二章 钢桥疲劳理论及随机车辆荷载模型 8

2.1 概述 8

2.1.1 基于S-N曲线的疲劳寿命评估 8

2.1.2 S-N曲线的适用性 9

2.2 疲劳损伤积累理论Miner准则 10

2.3 基于LEFM的疲劳寿命分析 11

2.3.1 常幅应力作用下的疲劳裂纹寿命计算 11

2.3.2 变幅应力作用下的疲劳裂纹寿命计算 12

2.4 随机车辆荷载模型 12

2.4.1 不同类型车辆所占比例大小 12

2.4.2 Monte-Carlo模拟法 13

本章小结 14

第三章 全桥计算模型的建立与验证 15

3.1 工程概述 15

3.2 主梁截面换算 15

3.2.1 等效截面换算 15

3.2.2 等效截面密度计算 17

3.3 斜拉索等效弹性模量换算 18

3.4 有限元模型的建立 19

3.5 有限元模型的验证 21

3.5.1 模态分析验证 21

3.5.2 静力分析模型验证 24

本章小结 24

第四章 单位力作用下静动力分析与比较 25

4.1活载加载的方式 25

4.2 静力法与动力法数值对比 25

本章小结 27

第五章 随机车辆荷载作用下的索力计算 28

5.1 索力影响线的提取 28

5.1.1 静力法提取索力影响线 28

5.1.2 车道一车道二索力影响线 30

5.1.3 车道三车道四索力影响线 31

5.2 随机车辆荷载模型 33

5.3 随机车辆荷载作用下的索力计算 34

本章小结 37

第六章 锚拉板局部应力分析 38

6.1 锚拉板有限元模型设计 38

6.2 试验模型各应力提取 38

6.2.1 试验模型的应力关键点布置 38

6.2.2 试验模型应力关键点的应力值 39

6.2.3 锚拉板焊接残余应力的提取 41

6.3 锚拉板疲劳应力曲线 43

第七章 结论与展望 47

7.1 结论 47

7.2 展望 47

参考文献 48

附录A：全桥模型命令流 49

附录B：动力法提取各数值命令流 57

致 谢 59

第一章 绪论

1.1斜拉桥的历史与发展

斜拉桥（Cable-Stayed Bridge）又称斜张桥，十九世纪五十年代，德国教授设计了世界上第一座具有实际意义的斜拉桥，德国横跨莱茵河的斜拉桥，塔高米，拉索采用竖琴式布置，索距米，斜拉桥横向不设置横梁支撑，遗憾的是该桥由于技术上的问题一直到1958年才实现通车^[1]。比桥早两年通车的德国桥拉开了欧洲斜拉桥建造的序幕，其跨径为，主梁为两片板梁组成，拉索采用辐射形布置。1959年，同样是德国的工程师建成通车桥，跨径不大才米，但其创造性地运用了类似于“漂浮”体系的原理，该桥提出的有效抗震措施为以后建造的斜拉桥提供了很好的典范。三年后的1962年委内瑞拉建成通车桥成为世界上的第一座主梁采用混凝土建造的斜拉桥。

中国建造的第一座斜拉桥是1975年中国四川云阳县建造的云阳桥^[2]。中国斜拉桥的起步较晚，但进步飞快。当今中国斜拉桥的发展不管从数量上还是技术上都已经处于世界先进行列。中国斜拉桥能取得如此大的发展，很大原因是由于发展初期正确选择了混凝土斜拉桥为主要的发展方向。相比于国外早期发展的都是采用钢材斜拉桥，而我国根据当时的实际情况选择了混凝土斜拉桥，事实证明这个决定是正确的。对比钢梁斜拉桥，混凝土斜拉桥可以直接采用当地的砂石材料，充分利用当地的劳动力，降低了斜拉桥的造价，这对发展中国家具有重要的参考意义。到今天为止，世界上已经建造了大大小小600余座的斜拉桥，其中，对斜拉桥发展提供重要参考意义的桥如下表1.1所示^[3]。