基于Ansys的斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)有限元分析

米 靜 王智龍 陳春羽

(中交路橋技術(shù)有限公司，北京 100011)

基于Ansys的斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)有限元分析

米 靜 王智龍 陳春羽

(中交路橋技術(shù)有限公司，北京 100011)

以福建某特大橋?yàn)楸尘?，采用Ansys建立了鋼箱梁局部模型，計(jì)算分析了斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)的受力性能，找到了結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力部位，為錨固區(qū)的設(shè)計(jì)和施工提供了理論依據(jù)和相應(yīng)的建議。

索梁錨固結(jié)構(gòu)，應(yīng)力分布，鋼箱梁局部模型，Ansys

大跨度鋼箱梁斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)有4種常見的形式[1，2]：錨箱式連接、耳板式連接、錨管式連接和錨拉板式連接。鋼錨箱式連接是一種普遍采用的索梁錨固形式，鋼錨箱式連接構(gòu)造的傳力途徑明確，拉索錨固在錨墊板上，再經(jīng)過承壓板和錨固頂、底板將索力傳遞給鋼箱梁腹板，進(jìn)而傳遞到鋼箱梁的頂、底板上。國內(nèi)已建成的武漢白沙洲大橋、南京長江二橋、武漢軍山長江大橋、潤揚(yáng)長江公路斜拉橋、安慶長江大橋、南京長江三橋以及施工中的蘇通長江公路大橋均采用錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)。但是由于斜拉索的巨大拉力集中作用在索梁錨固結(jié)構(gòu)處，通過有限的范圍傳遞到主梁上，受力集中，應(yīng)力復(fù)雜。因此對鋼錨箱各個(gè)板件在拉索索力作用下的受力性能研究是十分必要的。

筆者采用Ansys[3]有限元軟件模擬建立了鋼箱梁的局部計(jì)算模型，鋼錨箱模型的主要難點(diǎn)為主要受力板件：錨墊板和承壓板的模擬方法。在模型中按照非線性接觸分析手段中的面—面高級接觸[4，5]技術(shù)模擬了錨墊板和承壓板的接觸分析，驗(yàn)證了大橋的安全性，證明了鋼錨箱作為一種普遍采用的索梁錨固形式在受力性能上的合理性和可靠性。

1 工程背景

福建某特大橋，主橋北接長門村，南接瑯岐島?？缭介}江，大橋處于閩江的下游，瀕臨閩江的入海口，橋址區(qū)東臨東海，是福州繞城高速公路東南段工程項(xiàng)目中重要的控制性工程。主橋全長848 m，結(jié)構(gòu)形式為(35+44+66)m+550 m+(66+44+35)m雙塔雙索面混合梁斜拉橋。主梁中跨采用底板水平寬度較大的流線型扁平鋼箱梁、邊跨采用整體式混凝土箱梁，主要輪廓尺寸為：鋼箱梁含風(fēng)嘴頂板全寬為38.5 m，不含風(fēng)嘴頂板寬為34 m，中心線處梁高3.204 m。橋跨布置見圖1。

2 鋼錨箱錨固區(qū)有限元計(jì)算模型

2.1 研究對象

計(jì)算模型采用Ansys有限元軟件，選取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)梁段的半幅模型，主梁長度為15 m，其中縱肋按照圖2建模，4道橫隔板與遠(yuǎn)塔端主梁端部的距離為0.75 m,3.75 m,2×3.75 m,3×3.75 m，其他部位板件均按照實(shí)際圖紙建模計(jì)算。

鋼箱梁及鋼錨箱材料[6]選用Q345q結(jié)構(gòu)鋼，各向同性，屈服極限fy=345 MPa，彈性模量取為2.1×105MPa，泊松比取為0.3，密度取為7 850 kg/m3。模型邊界條件的處理方式為：計(jì)算時(shí)不考慮主梁的第一體系力，箱梁近塔側(cè)主梁和縱隔板端部位置均按固結(jié)邊界處理；在箱梁節(jié)段模型的縱向1/2剖面采用對稱約束，整個(gè)模型共有46 066個(gè)節(jié)點(diǎn)，56 285個(gè)單元，具體模型見圖3。

2.2 研究方法

鋼錨箱結(jié)構(gòu)相對獨(dú)立，是主要受力兼?zhèn)髁w系，在拉索方向有足夠的連接焊縫，使索力能流暢的傳遞到主梁。其結(jié)構(gòu)包括錨墊板、承壓板、錨固板頂、底板，鋼錨箱加勁板及鋼箱梁腹板錨固區(qū)加勁翼板。鋼箱梁局部模型的關(guān)鍵是鋼錨箱錨墊板和承壓板的模擬方式。按照非線性接觸分析方法中的面—面高級接觸技術(shù)來模擬鋼錨箱的錨墊板和承壓板，由于兩者為接觸非線性問題，接觸非線性問題屬于高度非線性。采用Ansys有限元軟件建立局部模型，錨墊板選取Solid45實(shí)體單元來模擬建立，其他板件選取Ansys中的Shell43彈性板殼單元來模擬建立，計(jì)算中激活A(yù)nsys計(jì)算選項(xiàng)中板的應(yīng)力剛化效應(yīng)和接觸單元的厚度效應(yīng)，采用接觸分析中的無限摩擦理論來模擬墊板與承壓板之間的接觸邊界。

2.3 鋼錨箱錨固區(qū)有限元分析

為了研究鋼錨箱在最不利荷載組合作用下各個(gè)板件的受力性能，采用Midas有限元軟件建立全橋整體模型，從模型中提取最不利工況作用下標(biāo)準(zhǔn)梁段的最大索力，再將最大索力加載到錨墊板的加載面上。

2.3.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算

整體模型分析所得最不利荷載組合作用下梁段的最大索力為5 935 kN，將索力加載到Ansys模型中，通過計(jì)算得到模型中關(guān)鍵板件的Von Mises應(yīng)力。由承壓板、錨固板和加勁肋所形成的封閉框架作用下，承壓板所承受的墊板傳來的壓力呈現(xiàn)明顯的不均勻性?？蚣芊秶鷥?nèi)壓力較大，框架外側(cè)接觸應(yīng)力較小。直接支撐承壓板處的接觸最強(qiáng)。計(jì)算各個(gè)板件在最大力工況索力作用下的最大MISES應(yīng)力值如表1所示。

表1 模型關(guān)鍵板件的MISES應(yīng)力 MPa

2.3.2 結(jié)果分析

計(jì)算模型各個(gè)關(guān)鍵板件的最大MISES應(yīng)力見圖4～圖6，從應(yīng)力圖可以看出，鋼錨箱作為直接受力結(jié)構(gòu)，各個(gè)板件的應(yīng)力值較大，以往的研究表明[7]鋼錨箱錨固板是主要的傳力構(gòu)件，索力的80%以上最終將轉(zhuǎn)化為剪力由錨固區(qū)焊縫直接傳遞到鋼箱梁腹板上，最終完成共同受力。

1)錨墊板的應(yīng)力較大部位在開孔處，由于錨墊板和承壓板共同承受索力作用，所以在板與板的接觸位置由于壓力的作用出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，應(yīng)力集中部位是在錨固板與加勁板支撐位置出現(xiàn)，往板邊緣應(yīng)力慢慢減小；

2)承壓板的應(yīng)力較大部位在開孔處與承壓板和腹板的焊縫處，開孔處出現(xiàn)應(yīng)力集中的原因和錨墊板相同，焊縫處由于承受錨墊板傳來的壓力和彎矩，所以出現(xiàn)應(yīng)力較大的現(xiàn)象；

3)錨固板作為主要傳力構(gòu)件應(yīng)力集中位置主要出現(xiàn)在與承壓板的焊縫處，由于焊縫直接承受錨墊板傳遞的壓力作用，因此出現(xiàn)應(yīng)力集中，隨著板的擴(kuò)散，應(yīng)力衰減也較快；

4)鋼箱梁腹板為主要受力構(gòu)件，應(yīng)力集中處主要在錨固區(qū)的焊縫連接處；

5)鋼箱梁頂板應(yīng)力集中位置是鋼錨箱錨固頂板與鋼箱梁頂板的連接處，應(yīng)力集中的原因是由此處承受了較大的剪力和彎矩造成的。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

計(jì)算結(jié)果表明：錨箱式連接是一種合理的索梁錨固形式，錨墊板和承壓板共同承擔(dān)索力，再由承壓板、錨固板和加勁板所組成封閉框架，通過錨固區(qū)連接焊縫將索力傳遞到鋼箱梁的腹板上，結(jié)構(gòu)是安全可靠的；采用非線性接觸分析手段，較為準(zhǔn)確的模擬了鋼錨箱的受力機(jī)制，計(jì)算結(jié)果合理，通過計(jì)算找到了結(jié)構(gòu)受力較大的關(guān)鍵位置，并分析了成因。

3.2 建議

1)通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)斜拉橋索梁錨固設(shè)計(jì)中，承壓板和錨墊板可以共同受力，日本本州四國聯(lián)絡(luò)橋公團(tuán)顧問遠(yuǎn)藤武夫認(rèn)為應(yīng)采用較厚的墊板來分布荷載，而采用較薄的承壓板，建議可以通過有限元分析和試驗(yàn)相結(jié)合來找出合理的指標(biāo)。2)焊縫作為主要傳力部件將承受較大的應(yīng)力，尤其是與橫隔板交界處和焊縫端部，因此在施工中應(yīng)該加強(qiáng)檢測管理。3)通過計(jì)算找到了應(yīng)力較大的板件位置，必要時(shí)可以適當(dāng)增加相應(yīng)位置的板厚來有效的減小應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)的安全性。

[1] 林元培.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，1994.

[2] 常文潔，邱文亮，夏文來.斜跨鋼拱橋索梁錨固區(qū)主梁腹板加勁肋優(yōu)選[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,32(1):139-142.

[3] 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[4] 萬 臻，李 喬.大跨度斜拉橋索梁錨固區(qū)三維有限元仿真分析[J].鐵道學(xué)報(bào)，2006,27(2):41-45.

[5] 周緒紅，呂忠達(dá)，狄 謹(jǐn).鋼箱梁斜拉橋索梁錨固區(qū)極限承載力分析[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào)，2007,27(3):47-51.

[6] JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[7] 張育智，李 喬，滿洪高.斜拉橋錨箱式索梁錨固區(qū)應(yīng)力及傳力途徑分析[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006,41(2):179-183.

The finite element analysis on cable-stayed bridge girder anchorage structure based on Ansys

MI Jing WANG Zhi-long CHEN Chun-yu

(CCCCRoad&BridgeTechnologyLimitedCompany,Beijing100011,China)

Taking a bridge in Fujian as the background, using Ansys to build steel box girder local model, calculated and analyzed the force performance of cable-stayed bridge cable girder anchorage structure, found the key force part of structure, provided theory basis and corresponding suggestions for design and construction of anchorage zone.

cable girder anchorage structure, stress distribution, steel box girder local model, Ansys

1009-6825(2014)28-0178-02

2014-07-24

米 靜(1983- )，男，工程師； 王智龍(1982- )，男，工程師； 陳春羽(1984- )，女，工程師

U448.27

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