異形雙斜塔斜拉橋索梁錨固和索塔錨固應(yīng)力計(jì)算分析

翁怡軍, 鄭凱鋒, 程 超

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川成都 610031)

異形雙斜塔斜拉橋索梁錨固和索塔錨固應(yīng)力計(jì)算分析

翁怡軍, 鄭凱鋒, 程 超

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川成都 610031)

索梁錨固和索塔錨固是斜拉橋控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位，其結(jié)構(gòu)構(gòu)造和受力情況復(fù)雜。文章以異形雙斜塔雙索面斜拉橋的錨固結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象。該橋主跨200 m，共設(shè)18對(duì)拉索；邊跨設(shè)輔助墩，單側(cè)設(shè)4對(duì)背索。應(yīng)用大型有限元軟件ANSYS建立錨固結(jié)構(gòu)和全橋板殼單元模型。通過梁單元模型計(jì)算最不利荷載工況，再根據(jù)實(shí)際情況模擬模型邊界條件，進(jìn)行有限元計(jì)算分析。重點(diǎn)研究索梁錨固和索塔錨固結(jié)構(gòu)中各主要板件的應(yīng)力峰值和分布，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，以及提出相應(yīng)的優(yōu)化方法。

全橋板殼單元； 索梁錨固； 索塔錨固； 局部應(yīng)力分析

斜拉橋中主梁承擔(dān)的巨大豎向荷載由索梁錨固結(jié)構(gòu)傳遞給拉索，再通過索塔錨固結(jié)構(gòu)傳遞至橋塔，因此這兩個(gè)結(jié)構(gòu)均承受較大的集中荷載；其構(gòu)造復(fù)雜，受力情況特殊，通常是控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位[1-2]。為避免在長期動(dòng)載作用下出現(xiàn)疲勞或強(qiáng)度破壞，拉索錨固結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量傳力順暢，避免出現(xiàn)應(yīng)力峰值過大的情況。

目前，鋼箱梁斜拉橋常見的索梁錨固型式主要有以下4 種：(1) 錨箱式連接，如蘇通長江公路大橋、上海長江大橋；(2) 耳板式連接，如法國諾曼底大橋；(3) 錨管式連接，如日本的名港西大橋和生口大橋、汕頭宕石大橋；(4) 錨拉板連接，如青州閩江大橋、湛江海灣大橋。

鋼橋塔常見的索塔錨固形式主要分為以下4種：(1) 索鞍式錨固，如五河淮河大橋、美國托萊多橋；(2) 采用支承板式的錨固形式；(3) 鉸接型錨固形式，如瑞典斯特倫松德橋；(4) 鋼錨箱式錨固，如南京三橋和日本多多羅橋。

1 研究背景

本文研究背景為少背索異形雙斜塔雙索面斜拉橋，跨徑布置(70+80+200+80+70) m，全長500 m。索塔高123.727 m，主梁梁高3.5 m，無索區(qū)主梁全寬27.5 m，即0.5 m 防撞護(hù)欄+8.5 m 機(jī)動(dòng)車道+0.5 m 防撞護(hù)欄+8.5 m雙線有軌電車專用道+0.5 m 防撞護(hù)欄+8.5 m 機(jī)動(dòng)車道+0.5 m。有索區(qū)主梁全寬29.5 m，即在無索區(qū)兩側(cè)各增加1 m 索區(qū)寬度。主跨內(nèi)對(duì)稱布置18 對(duì)拉索，每個(gè)橋塔9 對(duì)，呈扇形布置，梁上順橋向索距9 m，橫橋向索距28 m；塔上索距2.5～3.9 m，立面角度27.0°～47.1°，水平角度175°～170.9°。每個(gè)橋塔設(shè)置背索4 對(duì)，梁上索距2 m，塔上索距1.83 m，立面角度52.4°，水平角度167.5°，最長索長141 m。主橋橋型總體布置如圖1所示。

圖1 主橋橋型總體布置

橋梁中鋼箱梁及鋼錨箱均采用Q345qC鋼，有限元模型中材料彈性模量取值為2.1×105MPa，泊松比取為0.3，密度取為7 921 kg/m3。斜拉索采用高強(qiáng)度低松弛平行鋼絲索，抗拉極限強(qiáng)度fpk=1 670 MPa，彈性模量Ey=2.05×105MPa。

2 全橋模型和細(xì)部構(gòu)造模擬

利用ANSYS有限元軟件，建立全橋模型。鋼橋塔和鋼箱梁采用板單元，斜拉索采用桁架單元，錨墊板采用實(shí)體單元模擬。二期恒載和輪壓荷載以面荷載方式施加，斜拉索初拉力以初應(yīng)變施加。為了準(zhǔn)確地進(jìn)行仿真分析，選索力較大且受整體變形影響較大的中跨最長索，對(duì)其索梁錨固和索塔錨固兩區(qū)域所在位置的前后10 m節(jié)段進(jìn)行網(wǎng)格加密，詳見模擬錨固結(jié)構(gòu)。各部件物理特性按前文選取，斜拉索彈性模量暫不折減。由于橋梁為半漂浮體系，輔助墩、邊墩均采用約束梁底節(jié)點(diǎn)豎向位移的方式。主墩支座與下塔柱建立約束方程，聯(lián)立兩者的豎向位移。節(jié)段模型劃分網(wǎng)格時(shí)采用四邊形單元，劃分網(wǎng)格類型為：如果可能，則采用映射網(wǎng)格劃分，否則采用自由網(wǎng)格劃分。錨箱處各構(gòu)件單元大小為50 mm，過渡節(jié)段為1 000 mm，其余各處為3 000 mm，各大小單元之間設(shè)有過渡。整個(gè)模型共383 646個(gè)單元，336 527個(gè)節(jié)點(diǎn)，全橋模型如圖2所示，下塔柱的模型如圖3所示。

圖2 全橋模型

圖3 下塔柱模擬

錨墊板與承壓板之間是一種緊壓密貼的關(guān)系，常用的處理辦法有等效板厚法、非線性接觸單元法和實(shí)體單元加非線性接觸單元法等。錨墊板解決的僅是承壓板及其周圍的局部應(yīng)力問題，對(duì)遠(yuǎn)離連接處應(yīng)力影響小。本文采用一種折中的辦法：錨墊板由承壓板根據(jù)承壓面積擴(kuò)展成實(shí)體單元，采用幾何耦合。如此避開非線性接觸單元，降低計(jì)算量，又較為準(zhǔn)確地模擬出兩板緊壓密貼的關(guān)系。錨墊板受力復(fù)雜且不均勻，難以模擬其實(shí)際受力，但模型中不關(guān)注錨墊板應(yīng)力，故將斜拉索直接與錨墊板外層中心節(jié)點(diǎn)連接。由于縱隔板、頂板、橫隔板與鋼錨箱焊接，所以直接使板件幾何相接。

中跨最長索的索梁錨固和索塔錨固局部模型如圖4和圖5所示。

圖4 索梁錨固模型局部

圖5 索塔錨固模型局部

3 索梁錨固詳細(xì)應(yīng)力計(jì)算分析

通過Midas建立梁單元模型對(duì)中跨最長索應(yīng)力進(jìn)行影響線追蹤，得到最不利活載作用下的拉索應(yīng)力和活載作用位置，再將該狀態(tài)下的拉索應(yīng)力作為迭代目標(biāo)，并且對(duì)模型施加結(jié)構(gòu)自重、二期恒載和車輛輪壓，通過試算使施加拉索初應(yīng)變后得到的拉索應(yīng)力與目標(biāo)應(yīng)力相近，視為索梁錨固和索塔錨固的最不利工況。計(jì)算該工況下的，索梁錨固區(qū)主要板件的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力和換算應(yīng)力，匯總見表1。計(jì)算模型中各關(guān)鍵板件詳細(xì)換算應(yīng)力云圖，如圖6～圖11所示。

表1 索塔錨固各板件局部應(yīng)力 MPa

圖6 錨拉板換算應(yīng)力(單位:MPa)

圖7 承壓板換算應(yīng)力(單位:MPa)

圖8 加勁肋換算應(yīng)力(單位:MPa)

圖9 主梁腹板換算應(yīng)力(單位:MPa)

圖10 主梁頂板換算應(yīng)力(單位:MPa)

圖11 主梁底板換算應(yīng)力(單位:MPa)

跨中索梁錨固區(qū)錨拉板最大主應(yīng)力出現(xiàn)在板件與主梁腹板連接出附近，值為149.7 MPa；最小主應(yīng)力出現(xiàn)在錨拉板與承壓板接觸區(qū)域，為-215.4 MPa；最大換算應(yīng)力出現(xiàn)在剪力板與腹板接觸下角點(diǎn)，為218.3 MPa；承壓板最大主應(yīng)力出現(xiàn)在錨筒與承壓板連接出附近，值為121.4 MPa；最小主應(yīng)力出現(xiàn)在剪力板與腹板接觸下角點(diǎn)，為-145.7 MPa；最大換算應(yīng)力出現(xiàn)在剪力板與腹板接觸下角點(diǎn)，為131 MPa；加勁肋最大主應(yīng)力出現(xiàn)在與剪切板相交的加勁肋對(duì)應(yīng)的腹板連接處，值為201.4 MPa；最小主應(yīng)力出現(xiàn)在加勁肋與斜加勁肋相交下角點(diǎn)，值為-203.4 MPa；最大換算應(yīng)力出現(xiàn)同樣出現(xiàn)在加勁肋與斜加勁肋相交下角點(diǎn)，值為216.3 MPa；主梁頂板和底板的應(yīng)力值分布較為均勻，且峰值較小。

從以上分析結(jié)果可以看出，索梁錨固處設(shè)計(jì)較為合理，除局部應(yīng)力較大之外，多數(shù)處于合理范圍之內(nèi)；但剪力板、加勁肋與腹板連接處交點(diǎn)、承壓板與錨筒相交孔處這兩個(gè)位置的應(yīng)力相對(duì)較大，在設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，可考慮加大加勁肋尺寸或增加厚度。

4 索塔錨固詳細(xì)應(yīng)力計(jì)算分析

通過ANSYS模型計(jì)算得到的索塔錨固區(qū)主要板件的換算應(yīng)力匯總見表2。計(jì)算模型中各關(guān)鍵板件詳細(xì)換算應(yīng)力云圖，如圖12～圖18示。

表2 索塔錨固各板件局部應(yīng)力 MPa

圖12 承壓板M1換算應(yīng)力(單位:MPa)

圖13 加勁板M2換算應(yīng)力(單位:MPa)

圖14 加勁肋M(jìn)3換算應(yīng)力(單位:MPa)

圖15 錨墊板M4換算應(yīng)力(單位:MPa)

圖16 錨拉板M5換算應(yīng)力(單位:MPa)

圖17 加勁肋M(jìn)6換算應(yīng)力(單位:MPa)

圖18 加勁肋M(jìn)7、M8換算應(yīng)力(單位:MPa)

索塔錨固區(qū)承壓板上的最小主應(yīng)力-202.9 MPa，最大主應(yīng)力150.6 MPa，最大換算應(yīng)力為226.8 MPa，最小主應(yīng)力和最大換算應(yīng)力均出現(xiàn)在最長拉索的承壓板與錨管連接處，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在承壓板與塔壁板連接的角點(diǎn)處。剪力板上最小主應(yīng)力-197.6 MPa，出現(xiàn)在拉索剪力板與塔壁連接的角點(diǎn)處；最大主應(yīng)力154.5 MPa，出現(xiàn)在拉索剪力板與錨管、承壓板三者的結(jié)合處；最大換算應(yīng)力171.7 MPa，出現(xiàn)在拉索剪力板與錨管、承壓板三者的結(jié)合處。塔壁板最小主應(yīng)力-92.40 MPa，最大主應(yīng)力131.49 MPa，最大換算應(yīng)力121.93 MPa，均出現(xiàn)在塔壁與剪力板連接的角點(diǎn)上。

從以上分析結(jié)果可以看出，索塔錨固處設(shè)計(jì)較為合理，除局部應(yīng)力較大之外，多數(shù)處于合理范圍之內(nèi)。但鋼箱與剪切板連接處轉(zhuǎn)角、承壓板錨下處和鋼箱與錨筒相交孔處這三個(gè)位置的應(yīng)力相對(duì)較大，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，可考慮增加板件厚度或加大板件尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

5 結(jié)論

由應(yīng)力云圖結(jié)果可知，錨固結(jié)構(gòu)作為荷載傳遞的關(guān)鍵部位，錨拉板和承壓板的受力相對(duì)不利。錨拉板應(yīng)力較大部位集中在與相鄰板件連接角點(diǎn)區(qū)域，且為錨拉板的加勁肋支撐位置處出現(xiàn)。承壓板作為主要傳力構(gòu)件，其最大應(yīng)力出現(xiàn)在與錨筒和錨墊板的連接處。斜拉索帶來的巨大剪力通過承壓板傳遞給錨拉板，隨著板的擴(kuò)散，應(yīng)力值衰減也較快。

(1) 將全橋組合有限元模型局部網(wǎng)格加密，可詳盡模擬索梁錨固、索塔錨固結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確模擬邊界條件和加勁梁受力，能夠提高計(jì)算分析的準(zhǔn)確性。

(2) 索梁錨固區(qū)錨拉板最大換算應(yīng)力出現(xiàn)在剪力板與腹板接觸下角點(diǎn)，為218.3 MPa；承壓板最大換算應(yīng)力出現(xiàn)在剪力板與腹板接觸下角點(diǎn)，為131 MPa；加勁肋最大換算應(yīng)力出現(xiàn)同樣出現(xiàn)在加勁肋與斜加勁肋相交下角點(diǎn)，值為216.3 MPa；主梁頂板和底板的應(yīng)力值分布較為均勻，且峰值較小。索梁錨固處設(shè)計(jì)較為合理，除局部應(yīng)力較大之外，多數(shù)處于合理范圍之內(nèi)；但剪力板、加勁肋與腹板連接處交點(diǎn)、承壓板與錨筒相交孔處這兩個(gè)位置的應(yīng)力相對(duì)較大，在設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，可考慮加大加勁肋尺寸或增加厚度。

(3) 索塔錨固區(qū)承壓板上的最大換算應(yīng)力為226.8 MPa，出現(xiàn)在拉索的承壓板與錨管連接處；剪力板最大換算應(yīng)力171.7 MPa，出現(xiàn)在拉索剪力板與錨管、承壓板三者的結(jié)合處；塔壁板最大換算應(yīng)力121.93 MPa，出現(xiàn)在塔壁與剪力板連接的角點(diǎn)上。索塔錨固設(shè)計(jì)均較為合理，除局部應(yīng)力較大之外，多數(shù)處于合理范圍之內(nèi)；但鋼箱與剪切板連接處轉(zhuǎn)角、承壓板錨下處和鋼箱與錨筒相交孔處這三個(gè)位置的應(yīng)力相對(duì)較大，可考慮增加板件厚度或加大板件尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

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翁怡軍(1991～)，男，在讀研究生，研究方向?yàn)榇罂鐦蛄涸O(shè)計(jì)計(jì)算和復(fù)雜鋼橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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[定稿日期]2016-10-18