大跨度鋼桁梁斜拉橋索梁錨固區(qū)應(yīng)力分布分析研究

王濤

（中鐵二十一局集團(tuán)有限公司第六工程有限公司，北京市 100000）

大跨度鋼桁梁斜拉橋索梁錨固區(qū)應(yīng)力分布分析研究

王濤

（中鐵二十一局集團(tuán)有限公司第六工程有限公司，北京市 100000）

斜拉橋索梁錨固區(qū)在恒載、主力組合下應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，整體應(yīng)力較小，僅在錨固墊板附近較大；拉索索力影響的范圍較小，擴(kuò)散較快。斜拉橋的索梁錨固區(qū)段內(nèi)，受到拉索強(qiáng)大的集中力。而且由于孔洞削弱等原因，應(yīng)力狀況比較復(fù)雜，有必要進(jìn)行有限元的力學(xué)模型的局部分析，以全面反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)和應(yīng)力分布。

索梁；錨固區(qū)；應(yīng)力；有限元；應(yīng)力分布

0　引言

斜拉橋主要由主梁、索塔及斜拉索組成，現(xiàn)多采用密索體系，屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)［1］。不論是斜拉橋的結(jié)構(gòu)型式還是實(shí)際受力狀況，采用平面模型都難以準(zhǔn)確地模擬，但現(xiàn)在橋梁的設(shè)計(jì)及規(guī)范一般仍是依據(jù)平面分析的結(jié)果。為了保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全，有必要對(duì)己設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間分析，以校核設(shè)計(jì)，確保橋梁施工和使用的安全［2］。斜拉橋的索塔、索梁錨固區(qū)段以及一些特殊節(jié)點(diǎn)處，受力比較復(fù)雜。特別是局部有強(qiáng)大集中力作用或是構(gòu)造、材料有突變的部位，在設(shè)計(jì)、計(jì)算中，如果不進(jìn)行有限元的力學(xué)模型的局部分析，很難全面反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)和應(yīng)力分布［3］。

1　有限元模型

本文選取某大跨度斜拉橋的中跨中桁頂索與中桁的錨固節(jié)點(diǎn)錨固區(qū)進(jìn)行分析。為了減小由于局部模型邊界對(duì)結(jié)合部位應(yīng)力場(chǎng)的影響，取與該節(jié)點(diǎn)相連的各桿件全長(zhǎng)建立模型，并在各桿件的端部施加由整體分析得到的位移值［4］。計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

圖1　索梁錨固區(qū)計(jì)算模型

模型中桁架桿件采用SHELL43單元，共7524個(gè)單元。斜拉索索力以分布力形式施加于錨墊板上。

2　恒載工況下索梁錨固區(qū)分析

將恒載索力轉(zhuǎn)化為勻布力施加于錨墊板上，并在邊界截面的節(jié)點(diǎn)上施加恒載位移，由于邊界距離錨固區(qū)的距離較遠(yuǎn)，這種近似的邊界條件引起的誤差不會(huì)影響計(jì)算結(jié)果。索梁錨固區(qū)縱向、橫向、豎向正應(yīng)力的分布見(jiàn)圖2～圖4。第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力分布見(jiàn)圖5、圖6。

圖2　縱向正應(yīng)力分布圖（Pa）

圖3　橫向正應(yīng)力分布圖（Pa）

圖4　豎向正應(yīng)力分布圖（Pa）

圖5　第一主應(yīng)力分布圖（Pa）

圖6　第三主應(yīng)力分布圖（Pa）

由上述計(jì)算結(jié)果可以看出，在恒載斜拉索索力的作用下，索梁錨固區(qū)應(yīng)力分布具有如下特征：

索梁錨固節(jié)點(diǎn)在拉索集中力作用下，整體應(yīng)力較小，僅在錨固墊板附近較大。說(shuō)明拉索索力影響的范圍較小，擴(kuò)散較快。除錨墊板附近，其他區(qū)域的正應(yīng)力和主應(yīng)力均不超過(guò)20 MPa，錨墊板應(yīng)力集中處的各項(xiàng)應(yīng)力值一般也在100 MPa以下（主應(yīng)力在120 MPa以下）。橋梁主要桿件采用Q370q-E鋼材，容許應(yīng)力均在200 MPa以上，因此在恒載索力作用下，索梁錨固區(qū)應(yīng)力有較大富余量。

3　主力組合作用下索梁錨固區(qū)分析

將主力組合索力轉(zhuǎn)化為勻布力施加于錨墊板上，索梁錨固區(qū)縱向、橫向、豎向正應(yīng)力的分布見(jiàn)圖7～圖9。第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力分布見(jiàn)圖10、圖11。

圖7　縱向正應(yīng)力分布圖（Pa）

圖8　橫向正應(yīng)力分布圖（Pa）

圖9　豎向正應(yīng)力分布圖（Pa）

圖10　第一主應(yīng)力分布圖（Pa）

圖11　第三主應(yīng)力分布圖（Pa）

由上述計(jì)算結(jié)果可以看出，在主力組合作用下，索梁錨固區(qū)應(yīng)力分布與恒載工況規(guī)律具有基本相同的分布規(guī)律：整體應(yīng)力較小，僅在錨固墊板附近較大；拉索索力影響的范圍較小，擴(kuò)散較快；除錨墊板附近，其他區(qū)域的正應(yīng)力和主應(yīng)力均不超過(guò)30 MPa，錨墊板應(yīng)力集中處的各項(xiàng)應(yīng)力值一般也在120 MPa以下（主應(yīng)力在140 MPa以下）。與恒載狀況比較，桿件的應(yīng)力幅在20～30 MPa左右，符合鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

4　結(jié)　論

通過(guò)對(duì)大跨度斜拉橋索梁錨固區(qū)在恒載、主力組合下的應(yīng)力分析，可以得出以下主要結(jié)論：

（1）恒載、主力組合作用索梁錨固區(qū)應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，整體應(yīng)力較小，僅在錨固墊板附近較大；拉索索力影響的范圍較小，擴(kuò)散較快。

（2）索梁錨固區(qū)應(yīng)力整體應(yīng)力水平較小，除錨墊板附近應(yīng)力集中超過(guò)100 MPa外，大部分區(qū)域應(yīng)力在30 MPa以下，說(shuō)明索梁錨固區(qū)具有較大的安全度。

（3）比較恒載工況和主力組合工況，各桿件的應(yīng)力幅在20～30 MPa左右，處于一個(gè)較低的水平，符合設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

［1］黃勇，程曉東，曾進(jìn)忠.斜拉橋索梁錨固區(qū)受力情況的三維有限元分析［J］.橋梁建設(shè)，2005（S1）:120-123.

［2］羅鳴.大跨度斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)力學(xué)行為研究［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2010（10）:74-77.

［3］丁雪松，熊剛，謝斌.大跨度鋼箱梁斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.世界橋梁，2007（4）:70-73.

［4］徐峰，蘇文明，于飛，等.斜拉橋懸臂式索梁錨固區(qū)受力分析［J］.四川建材，2013（5）:42-44.

U448.27

A

1009-7716（2016）07-0091-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.027

2016-02-29

王濤（1981-），男，甘肅民樂(lè)人，工程師，從事鐵道工程建設(shè)管理工作。