基于Abaqus的懸索橋主索鞍應(yīng)力分析

□文/王洪龍 李 佶

主索鞍是懸索橋索塔頂端支撐主纜的重要部件，作用是將主纜的巨大豎向壓力均勻傳至索塔上，同時(shí)也可使主纜平緩地在塔頂過(guò)渡，減小由主纜方向改變?cè)斐傻膹澢鷳?yīng)力并形成優(yōu)美的主纜線(xiàn)形[1～2]。

主索鞍不只要承受主纜對(duì)承纜槽的豎向壓力荷載，同時(shí)還要承受由主纜擠壓產(chǎn)生的側(cè)向壓力，承纜槽與主纜索股之間是空間曲面接觸，索鞍結(jié)構(gòu)處于復(fù)雜的空間受力狀態(tài)中。主索鞍的縱肋用于抵抗豎向壓力荷載，承纜槽側(cè)壁和橫肋用于抵抗側(cè)向壓力荷載[3]。

1 工程概況

某橋結(jié)構(gòu)較為新穎，是自錨式懸索斜拉協(xié)作體系，雙索面布置。主梁采用鋼梁，橋塔采用門(mén)式橋塔，梁體豎向荷載由斜拉索、纜索承擔(dān)，主梁水平力由主梁抵抗。主跨為450 m，主纜橫向布置2根，垂跨比1/14，主纜采用68股通長(zhǎng)索股組成，每股為127絲直徑5.0 mm平行鋼絲索股。主索鞍長(zhǎng)3 m、寬2.4 m、高2.08 m，見(jiàn)圖1。

圖1 主索鞍構(gòu)造

先將鞍槽內(nèi)的索股及隔板就位并調(diào)股，然后用鋅塊填滿(mǎn)，再用拉桿將鞍槽側(cè)壁拉緊。在鞍體下面設(shè)置聚四氟乙烯滑板以減輕摩擦力，更好地適應(yīng)施工中的相對(duì)位移。為方便吊裝，主索鞍分為兩部分制造，吊裝就位后再用高強(qiáng)螺栓聯(lián)成整體。

2 抗滑驗(yàn)算

根據(jù)《公路懸索橋設(shè)計(jì)細(xì)則》（征求意見(jiàn)稿）12.3.3條，主纜抗滑安全系數(shù)K應(yīng)滿(mǎn)足

式中：μm為主纜與槽底或隔板間的摩擦因數(shù)，一般取0.2；αs為主纜在鞍槽上的包角，rad；Fct為主纜緊邊拉力，N；Fcl為主纜松邊拉力，N。

根據(jù)主索鞍設(shè)計(jì)圖紙及全橋縱向受力分析，主纜在鞍槽上的包角為0.483 rad，主纜緊邊拉力為12 543 kN，主纜松邊拉力為12 181 kN，將數(shù)據(jù)代入式（1）可得K=3.30，所以該橋的主纜抗滑滿(mǎn)足要求。由于垂跨比、包角均較小，建議采用構(gòu)造措施，如壓緊裝置增加摩擦力。

3 有限元分析

主索鞍構(gòu)件是一個(gè)復(fù)雜的三維受力空間結(jié)構(gòu)，鞍槽部分受到主纜索股的向心壓力、主纜索股的側(cè)向壓力及側(cè)向壓力產(chǎn)生的彎矩等，因此空間有限元分析計(jì)算方法的應(yīng)用在索鞍構(gòu)件的設(shè)計(jì)時(shí)是必要的[4]。通過(guò)空間有限元分析，可對(duì)索鞍構(gòu)件整體的應(yīng)力水平有一個(gè)宏觀的把握，可對(duì)索鞍構(gòu)件中各個(gè)板件布置的合理性有一個(gè)綜合的評(píng)價(jià)。

3.1 加載方式

纜力對(duì)鞍體作用力的模型見(jiàn)圖2，縱向按單位長(zhǎng)度計(jì)。

圖2 鞍槽受力圖式

式中：fsr為索鞍上各列索股的向心壓力，N/mm；Fc為主纜力，取邊跨纜力和中跨纜力中的較大值，N；n為該列索股根數(shù)；ns為單根主纜中索股總數(shù)；rv為承纜槽圓弧半徑，mm。

最高索股頂至h處的側(cè)向壓力

式中：μ為鋼絲間摩擦系數(shù)，一般取0.15；b為槽路寬度，mm；fv為中央列索股單位體積豎向力，N/mm3。

式中：nSC為中央列索股股數(shù)；H為中央列索股總高度，mm。

根據(jù)以上公式可以計(jì)算得承纜槽底面和側(cè)面的壓力，然后加載到Abaqus模型中。

3.2 模型概況

首先用三維繪圖工具將索鞍模型繪制出來(lái)，然后導(dǎo)入到Abaqus中。網(wǎng)格以實(shí)體單元?jiǎng)澐?，模型共?jì)133 278個(gè)C3D10（三維十節(jié)點(diǎn)四面體）單元，見(jiàn)圖3。

圖3 主索鞍計(jì)算模型

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果給出鞍座和應(yīng)力云圖和各部分應(yīng)力最值數(shù)據(jù)，由于索鞍由鑄鋼材料制作且處于復(fù)合壓應(yīng)力作用環(huán)境下，因此取Von-Mises應(yīng)力進(jìn)行分析。

以?xún)煞N最不利工作狀態(tài)分別計(jì)算：在空纜纜力作用下未安裝拉桿；在最大纜力作用下張緊側(cè)壁拉桿。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 空纜纜力作用下索鞍鞍體應(yīng)力

圖5 最大纜力作用下索鞍鞍體應(yīng)力

高應(yīng)力區(qū)主要出現(xiàn)承纜槽底部與縱肋連接部位以及縱肋與底板連接部位。見(jiàn)表1。

表1 Mises應(yīng)力最大值 MPa

從表1可以看出，該橋主索鞍的應(yīng)力結(jié)果分布較為均勻，相比于鞍體鑄鋼部分容許應(yīng)力還有相當(dāng)?shù)陌踩珒?chǔ)備。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，索鞍高應(yīng)力區(qū)集中在索鞍各部件的連接部位。本計(jì)算主索鞍構(gòu)件受力符合規(guī)范要求，但安全儲(chǔ)備較大，各板件厚度仍有優(yōu)化空間?？梢?jiàn)，雖然索鞍構(gòu)件是一個(gè)受力復(fù)雜的三維空間結(jié)構(gòu)，但在合理設(shè)置各個(gè)板件情況下，索鞍受力可以達(dá)到比較理想的效果。