鋼錨梁有限元分析

張樹清

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司,安徽 合肥230088）

鋼錨梁有限元分析

張樹清

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司,安徽 合肥230088）

鋼錨梁受力方式明確,通過分階段張拉索力,能充分發(fā)揮鋼材應(yīng)力性能。采用三維有限元軟件建立鋼錨梁有限元模型,對其在安裝中的不同索力工況進(jìn)行靜力計算,得到其應(yīng)力情況；分析施工斜拉索過程對鋼錨梁應(yīng)力影響,并對設(shè)計方案提供指導(dǎo)。

鋼錨梁；斜拉索；有限元；靜力分析

1 概述

某橋主跨638 m,跨徑布置為78 m+228 m+ 638 m+228 m+78 m雙塔雙索面半漂浮體系PK箱型鋼-混凝土組合梁斜拉橋,如圖1所示。按雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),設(shè)計速度100 km/h,路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬度33.5 m,橋梁標(biāo)準(zhǔn)寬度33 m。主塔結(jié)構(gòu)為鉆石型,橋面以下的塔柱向內(nèi)收縮,較大地減小基礎(chǔ)尺寸,節(jié)省造價。

圖1 PK箱組合梁斜拉橋橋型布置(單位:m）

為有效解決斜拉索索塔錨固區(qū)開裂問題,提高結(jié)構(gòu)耐久性,采用鋼牛腿-鋼錨梁組合結(jié)構(gòu),如圖2所示。在索塔內(nèi)部鋼牛腿上設(shè)置鋼錨梁,斜拉索錨固在鋼錨梁兩端,鋼牛腿與橋塔內(nèi)壁采用剪力釘連接。斜拉索的水平分力主要由鋼錨梁承擔(dān),豎向分力則通過牛腿傳遞至混凝土塔壁上。鋼錨梁錨固結(jié)構(gòu)構(gòu)造的主要優(yōu)點是受力機理明確,受力合理,混凝土塔壁拉應(yīng)力很小；缺點是吊裝重量大,安裝不方便[1]。鋼錨梁系統(tǒng)材料采用Q345d。鋼錨梁與鋼牛腿間用M24高強螺栓連接。

圖2 鋼錨梁結(jié)構(gòu)圖

2 計算模型

2.1 有限元模型

全橋整體平面計算結(jié)果只能反映結(jié)構(gòu)整體安全性能,不能反映結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力狀況。鋼錨梁構(gòu)造較為復(fù)雜。每個橋塔設(shè)置28個鋼錨梁,每個都一一進(jìn)行計算耗時耗力。根據(jù)全橋整體計算分析結(jié)果,考慮全橋施工過程及受力情況,選取索塔最上端三個鋼錨梁GML28進(jìn)行局部分析計算。為了考察鋼錨梁安全性,建立鋼錨梁一個節(jié)段局部ANSYS有限元模型,如圖3所示。塔柱混凝土、鋼錨梁采用實體單元SOLID65。通過有限元模型對鋼錨梁在最不利工況下受力情況,進(jìn)行靜強度分析,研究鋼錨梁應(yīng)力狀況,以評價其設(shè)計的合理性。模型材料采用理想彈塑性的本構(gòu)模型[2,4],塔柱混凝土采用C50混凝土,彈性模量3.45e5 MPa,泊松比vs=0.2；鋼材彈性模量2.1e5 MPa,泊松比vs=0.3。

圖3 鋼錨梁有限元模型

2.2 計算工況

鋼錨梁受力形式分三步:第一步,主梁懸拼時鋼錨梁兩端固定,施工時拉索力通過鋼牛腿傳遞給橋塔；第二步,主梁合龍后,鋼錨梁兩端自由,橋面鋪裝等二期荷載由鋼錨梁自身承擔(dān)；第三步,正常運營階段錨梁兩端鎖死,汽車等活載通過鋼牛腿傳遞給橋塔,由橋塔承擔(dān)活載等不平衡荷載。

模型計算時荷載選取全橋整體計算正常使用極限狀態(tài)最大索力進(jìn)行計算。為簡化分析,選取塔頂自上最上面一根索力作為計算荷載,索力7 579 kN。模擬鋼錨梁受力過程,索力分為三種工況加載,鋼錨梁和牛腿接觸面采用滑動接觸分析。

工況一,鋼錨梁和牛腿接觸面,兩端均固定鎖死,此時張拉到0.2×7 579 kN索力；

工況二,鋼錨梁和牛腿接觸面,一端固定一段可以自由滑動,此時張拉到0.9×7579 kN索力；

工況三,鋼錨梁和牛腿接觸面,一端固定,同時把滑動端鎖定,此時張拉到最大索力7 579 kN。

2.3 邊界條件

塔壁預(yù)埋鋼板和橋塔混凝土不考慮粘結(jié)滑移效應(yīng),鋼板和混凝土板相同位置（剪力釘位置）節(jié)點建立剪力釘,剪力釘采用ANSYS彈簧單元模擬。鋼錨梁與鋼牛腿之間約束關(guān)系根據(jù)實際施工情況,采用接觸單元模擬,當(dāng)為可滑動時,鋼錨梁和牛腿界面采用摩擦接觸關(guān)系,摩擦系數(shù)取0.05[3]；當(dāng)鎖死固定時,則認(rèn)為鋼錨梁與鋼牛腿之間連接可靠,通過將摩擦系數(shù)設(shè)置成足夠大值模擬。鋼牛腿和鋼錨梁之間固定端通過做綁定接觸進(jìn)行模擬[5]。在模型中,鋼錨梁底部平面中心位置為坐標(biāo)原點。平行鋼錨梁方向為x向,高度方向為y向,z向由右手定則確定。鋼錨梁模型底面做全約束。

3 結(jié)構(gòu)分析

從圖 4可以看出,鋼錨梁最大等效應(yīng)力68.325 MPa,出現(xiàn)在鋼錨梁錨箱外側(cè)U型板角點處；底板最大應(yīng)力 39.66 MPa；端板最大應(yīng)力28.412 MPa；側(cè)板最大應(yīng)力38.171 MPa；頂板最大應(yīng)力32.069 MPa。自由端鋼錨梁最大變形位移量0.677 mm。

圖4 工況一鋼錨梁等效應(yīng)力云圖（單位:MPa）

從圖 5可以看出,鋼錨梁最大等效應(yīng)力284.637 MPa,出現(xiàn)在鋼錨梁錨箱外側(cè)U型板角點處；底板最大應(yīng)力181.821 MPa；端板最大應(yīng)力132.051 MPa；側(cè)板最大應(yīng)力187.239 MPa；頂板最大應(yīng)力190.098 MPa。自由端鋼錨梁最大變形位移量3.078 mm。

圖5 工況二鋼錨梁等效應(yīng)力云圖（單位:MPa）

從圖 6可以看出,鋼錨梁最大等效應(yīng)力318.396 MPa,出現(xiàn)在鋼錨梁錨箱外側(cè)U型板角點處；底板最大應(yīng)力184.333 MPa；端板最大應(yīng)力145.465 MPa；側(cè)板最大應(yīng)力207.482 MPa；頂板最大應(yīng)力215.483 MPa。自由端鋼錨梁最大變形位移量4.856 mm。

圖6 工況三鋼錨梁等效應(yīng)力云圖（單位:MPa）

結(jié)合鋼錨梁在各工況下應(yīng)力狀況,為充分發(fā)揮鋼錨梁結(jié)構(gòu)優(yōu)勢,充分利用鋼材受力性能,構(gòu)造上采取下列措施:

（1）鋼錨梁與鋼牛腿的接觸面之間采用不銹鋼和四氟板構(gòu)成滑動摩擦副,用以消除鋼錨梁與鋼牛腿接觸面之間的摩阻力對塔的影響,確保斜拉索恒載水平分力全部由鋼錨梁承受。工地整體吊裝前,四氟板面涂硅脂,增加摩擦副的潤滑性。

（2）設(shè)置臨時固接螺栓,安裝斜拉索時,鋼錨粱的兩端與牛腿固結(jié)。以避免施工中發(fā)生兩側(cè)掛索不同步,造成鋼錨梁位置的失控而沖擊塔壁。安裝結(jié)束主梁合攏后,解除臨時固結(jié)螺栓,待二期恒載鋪裝完成后再鎖定鋼錨梁與相應(yīng)牛腿。

（3）利用鋼錨梁與鋼牛腿的連接螺栓傳遞橫橋向的不平衡水平分力。

4 結(jié)語

鋼錨梁由受拉錨梁和受壓錨固結(jié)構(gòu)構(gòu)造組成。每對斜拉索面內(nèi)的平衡水平分力由鋼錨梁承受,部分不平衡水平分力通過高強螺栓傳遞給牛腿,再由牛腿傳遞到預(yù)埋鋼板,由塔柱承受；豎向分力通過牛腿傳到塔身,全部由塔柱承受；空間索在面外的水平分力由鋼錨梁自身平衡。通過采用精細(xì)有限元模型對鋼錨梁進(jìn)行各工況靜力強度分析,結(jié)果顯示該方案在靜結(jié)構(gòu)強度表現(xiàn)良好,設(shè)計合理。

[1]陳向陽,王昌將,史方華.大跨徑斜拉橋鋼錨梁的創(chuàng)新設(shè)計[J]．公路,2009(1):130-132．

[2]陳世教,薛志武,杜波.基于ANSYS的下漳跨海大橋主塔鋼錨梁有限元分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2011(3): 357-360．

[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]陳開利.鋼錨箱索塔錨固區(qū)受理機理[J].中國鐵道科學(xué),2008(4): 58-63．

[5]胡貴瓊,鄭舟軍.荊岳長江公路大橋鋼錨梁索塔錨固區(qū)單節(jié)段模型有限元分析[J].世界橋梁,2010(2):40-44.

U441

A

1009-7716（2017）07-0220-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.068

2017-3-29

張樹清（1983-）,男,安徽阜南人,工程師,從事橋梁設(shè)計研究工作。