自錨式懸索橋主索鞍設(shè)計(jì)及有限元分析

王健

（沈陽市市政工程設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽 110015）

自錨式懸索橋主索鞍設(shè)計(jì)及有限元分析

王健

（沈陽市市政工程設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽 110015）

自錨式懸索橋主索鞍的設(shè)計(jì)，由于其自身結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，通常采用有限元建模分析的方法進(jìn)行計(jì)算。以一座自錨式懸索橋主索鞍的設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，利用MIDAS相關(guān)軟件建立主索鞍三維模型，對(duì)主索鞍的受力進(jìn)行分析。

自錨式懸索橋；主索鞍；有限元建模；MIDAS

0 引言

目前，國內(nèi)對(duì)于懸索橋主索鞍的設(shè)計(jì)，絕大多數(shù)均采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析計(jì)算，一般選用solid45實(shí)體單元建立主索鞍的空間模型[1]，再結(jié)合懸索橋相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)主索鞍的構(gòu)造要求來進(jìn)行。

MIDAS有限元分析軟件如Civil、FEA、FX+早已應(yīng)用于橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但用于懸索橋主索鞍的計(jì)算尚屬罕見。本文以沈陽市某自錨式懸索橋主索鞍的設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，使用MIDAS軟件進(jìn)行計(jì)算和分析。

1 概況

設(shè)計(jì)懸索橋位于沈陽市區(qū)東南部，渾河城市段上游，橋梁總長度為800m，主橋?yàn)槲蹇?，雙鋼桁架橋塔自錨式懸索橋，橋梁中跨為220m，主纜垂跨比為1/5.5，主纜在橫橋向的間距為36m。橋梁效果圖如圖1所示。

圖1 主索鞍側(cè)立面圖

設(shè)計(jì)主索鞍鞍座長2.7m，寬1.8m，高2.2m；主纜中心的立面圓弧半徑3m；鞍槽寬297.5mm，側(cè)壁最薄處80mm；鞍體共設(shè)橫向加勁肋7道，厚60mm；腹部兩側(cè)設(shè)50mm厚環(huán)向加勁肋；頂部預(yù)緊拉桿共11根M33螺栓。為增加主纜與鞍槽間的摩阻力并方便索股定位，鞍槽內(nèi)設(shè)5mm厚豎向隔板，鞍槽內(nèi)共設(shè)19根索股，索面為豎向共面。在索股全部就位并調(diào)股后，在頂部用鋅塊填平。其中，除座體環(huán)形肋板與座體底板縱肋采用Q345D鋼板之外,座體均采用鑄鋼結(jié)構(gòu)。詳細(xì)構(gòu)造示意如圖2和圖3所示。

該索鞍構(gòu)造設(shè)計(jì)滿足《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/TD65-05—2015）（以下簡稱《規(guī)范》）所要求的鞍槽底部立面圓弧半徑（2864.5mm）不小于主纜設(shè)直徑的8倍（8×271mm=2168mm），且施工狀態(tài)和成橋狀態(tài)下，主纜與鞍座的切點(diǎn)始終不在纜槽之外等條件[2]。

圖2 主索鞍側(cè)立面圖

鞍槽寬度計(jì)算：

設(shè)計(jì)鞍槽寬度為55.5mm。

鞍槽中索股高度計(jì)算：

設(shè)計(jì)高度56.5mm。

鞍槽中索股空隙率計(jì)算：

鞍槽內(nèi)主纜抗滑移安全系數(shù)計(jì)算：

鞍槽構(gòu)造均滿足《規(guī)范》要求。鞍槽構(gòu)造如圖4所示。

圖4 主索鞍中心剖面圖

懸索橋主塔在主索鞍底部設(shè)置帶鋼格柵的混凝土段，塔頂設(shè)有主索鞍座板來安裝索鞍。在主索鞍底座底板設(shè)混凝土振搗孔，吊裝并準(zhǔn)確定位后與塔頂?shù)鬃炷翝仓橐惑w。

主索鞍底座與塔頂之間用錨栓緊緊錨固在一起，索鞍頂推到位調(diào)整好后，用成橋鎖定板將鞍體與座板鎖死。為頂推索鞍設(shè)置的反力架，用預(yù)應(yīng)力鋼絞線緊緊錨固在塔頂，并通過角鋼與墊塊支撐在塔壁上,施工完成后，將反力架拆除。

主鞍座加工完成后整體吊裝，安裝時(shí)向邊跨側(cè)預(yù)偏0.485m，由臨時(shí)限位塊定位。施工中鞍體相對(duì)于塔頂?shù)囊苿?dòng)，借助安放在反力架上的千斤頂分幾次有控制地進(jìn)行頂推。每次頂推達(dá)到規(guī)定的位移量后，用臨時(shí)限位板將鞍體臨時(shí)鎖定。頂推次數(shù)及各次的頂推量應(yīng)按照施工監(jiān)控參數(shù)實(shí)施。

2 計(jì)算條件

2.1 加載方式選取

主索鞍的加載方式主要有以下幾種。

（1）虛擬傳力桿單元法，即假定主纜與鞍體不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)位移，通過兩者單元共節(jié)點(diǎn)的方式模擬。該方法缺陷是不能計(jì)算鞍槽側(cè)壁的應(yīng)力情況。

（2）實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)自由度放開法，即在方法（1）的基礎(chǔ)上，將主纜與鞍體單元之間的節(jié)點(diǎn)自由度隨實(shí)際變化過程不斷修正，但目前MIDAS很難實(shí)現(xiàn)。

（3）流體單元模擬法，即把主纜按流體單元來模擬計(jì)算，其可以很好地實(shí)現(xiàn)主纜與鞍槽之間的接觸情況，但由于主纜對(duì)鞍槽的向心壓力與對(duì)側(cè)壁的壓力，在同一高度處并非如流體一樣各向等值，因此結(jié)果不夠準(zhǔn)確。

（4）直接加面力法，即手算出主纜對(duì)鞍槽地面和側(cè)面的壓力，直接在模型上以面荷載的形式添加。

（5）帶接觸單元模擬法，即在主纜單元與鞍體單元之間增加一層虛擬接觸單元，設(shè)定其具有一定的剛度等物理特性，來傳遞主纜與鞍槽之間的應(yīng)力與滑移。但接觸單元特性的確定很難。

通過對(duì)比，并結(jié)合國內(nèi)已有懸索橋主索鞍的經(jīng)驗(yàn)結(jié)果[3]，本文選擇直接加面力法計(jì)算分析。

2.2 計(jì)算模型

使用MIDASFEA建立主索鞍三維有限元模型，鞍體采用實(shí)體單元；考慮空間不均勻模型條件下，預(yù)緊拉桿可能出現(xiàn)拉應(yīng)力以外的應(yīng)力情況，拉桿同樣采用實(shí)體單元。設(shè)計(jì)主索鞍材料為ZG270-500，計(jì)算時(shí)，鞍體材料選擇軟件數(shù)據(jù)庫的Q345鋼。對(duì)模型采用以六面體為主導(dǎo)的自動(dòng)網(wǎng)格劃分，共產(chǎn)生241473個(gè)單元，177398個(gè)節(jié)點(diǎn)。劃分網(wǎng)格之后的模型如圖5所示。

圖5 主索鞍有限元模型

由于主纜較大向心力的存在，且鞍體自重較大，因此主索鞍在施工和使用過程中，鞍體可以按與底座固結(jié)的方式考慮。

本文主索鞍有限元模型的邊界條件擬定為底面固結(jié)的約束方式，計(jì)算時(shí)考慮主索鞍自重[4]。

2.3 計(jì)算工況

《規(guī)范》所述的荷載工況有主纜拉力為空纜纜力、鞍槽側(cè)壁未施加拉桿力的情況，和主纜最大纜力時(shí)的情況。本文就這兩個(gè)工況進(jìn)行驗(yàn)算主索鞍強(qiáng)度。

鞍槽底面和側(cè)面壓應(yīng)力按《規(guī)范》方法進(jìn)行手算，見表1。

表1 各工況下加載力設(shè)計(jì)值

3 計(jì)算結(jié)果

將MIDASFEA的主索鞍有限元模型導(dǎo)入MIDASCIVIL中計(jì)算，由于主索鞍受力狀態(tài)僅為空間受壓，因此整理計(jì)算結(jié)果時(shí)主要對(duì)有效應(yīng)力(von-Mises應(yīng)力)進(jìn)行分析[5]。有限元計(jì)算結(jié)果如圖6和圖7所示。

從結(jié)果應(yīng)力云圖可以看出，空纜工況與最大纜力工況下，主索鞍受力趨勢大致保持一致，應(yīng)力值較大區(qū)主要分布在鞍體、橫向加勁肋、底板邊肋之間交界處。

不同的是，空纜工況下，在鞍槽與橫向加勁肋交界附近出現(xiàn)應(yīng)力集中的小片區(qū)域；但施加拉桿力之后的最大纜力工況下，整個(gè)鞍槽與橫向加勁肋之間應(yīng)力過渡較為均勻，鞍體的整體受力性能更好。

表2 未表示出鞍槽內(nèi)部的應(yīng)力數(shù)值，其值波動(dòng)范圍較小，且與手算的各工況下加載應(yīng)力值相近。

圖6 空纜工況計(jì)算結(jié)果

圖7 最大纜力工況計(jì)算結(jié)果

表2 各工況下有效應(yīng)力 MPa

4 結(jié) 語

通過有限元計(jì)算分析，主索鞍的設(shè)計(jì)滿足懸索橋規(guī)范的構(gòu)造要求，其空纜工況和最大纜力工況下的有效應(yīng)力均滿足要求。主索鞍鞍體以及各加勁肋設(shè)計(jì)較為合理。

鞍槽頂設(shè)置一定數(shù)量的對(duì)拉螺栓，可改善鞍槽與橫向加勁肋之間的整體受力性能。

在鞍體與各加勁肋交界處存在應(yīng)力值較大情況的集中區(qū)，但在很短的距離內(nèi)，應(yīng)力值即大幅減小。因此主索鞍鑄制后，須對(duì)該位置進(jìn)行仔細(xì)檢測。

[1]常志軍,張克.西堠門大橋主索鞍座設(shè)計(jì)[J].公路,2009,1(1)：80-85.

[2]JTG/TD65-05—2015，公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]賈界峰,涂金平,周泳濤,李健剛.空間索面自錨式懸索橋主索鞍計(jì)算方法[J].橋梁建設(shè),2007(5)：38-41.

[4]魏建東,劉忠玉.懸索橋結(jié)構(gòu)分析中索鞍的精確模擬[J].工程力學(xué),2006,23(7)：114-118.

[5]于雪輝,張常劍,李磊,夏云龍.懸索橋主索鞍和散索鞍的有限元分析方法[J].浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2012(2)：1-4.

U448.25

：B

：1009-7716（2017）02-0069-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.02.021

2016-12-12

王?。?984-），男，遼寧鞍山人，碩士研究生，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)及研究工作。