鋼錨梁有限元分析

張樹清

（安徽省交通規劃設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

（安徽省交通規劃設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,能充分發揮鋼材應力性能。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行靜力計算,得到其應力情況；分析施工斜拉索過程對鋼錨梁應力影響,并對設計方案提供指導。

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準建設,設計速度100 km/h,路基標準橫斷面寬度33.5 m,橋梁標準寬度33 m。主塔結構為鉆石型,橋面以下的塔柱向內收縮,較大地減小基礎尺寸,節省造價。

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開裂問題,提高結構耐久性,采用鋼牛腿-鋼錨梁組合結構,如圖2所示。在索塔內部鋼牛腿上設置鋼錨梁,斜拉索錨固在鋼錨梁兩端,鋼牛腿與橋塔內壁采用剪力釘連接。斜拉索的水平分力主要由鋼錨梁承擔,豎向分力則通過牛腿傳遞至混凝土塔壁上。鋼錨梁錨固結構構造的主要優點是受力機理明確,受力合理,混凝土塔壁拉應力很小；缺點是吊裝重量大,安裝不方便[1]。鋼錨梁系統材料采用Q345d。鋼錨梁與鋼牛腿間用M24高強螺栓連接。

圖2 鋼錨梁結構圖

2 計算模型

2.1 有限元模型

全橋整體平面計算結果只能反映結構整體安全性能,不能反映結構局部應力狀況。鋼錨梁構造較為復雜。每個橋塔設置28個鋼錨梁,每個都一一進行計算耗時耗力。根據全橋整體計算分析結果,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,進行靜強度分析,研究鋼錨梁應力狀況,以評價其設計的合理性。模型材料采用理想彈塑性的本構模型[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；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最大索力進行計算。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

塔壁預埋鋼板和橋塔混凝土不考慮粘結滑移效應,鋼板和混凝土板相同位置（剪力釘位置）節點建立剪力釘,剪力釘采用ANSYS彈簧單元模擬。鋼錨梁與鋼牛腿之間約束關系根據實際施工情況,采用接觸單元模擬,當為可滑動時,鋼錨梁和牛腿界面采用摩擦接觸關系,摩擦系數取0.05[3]；當鎖死固定時,則認為鋼錨梁與鋼牛腿之間連接可靠,通過將摩擦系數設置成足夠大值模擬。鋼牛腿和鋼錨梁之間固定端通過做綁定接觸進行模擬[5]。在模型中,鋼錨梁底部平面中心位置為坐標原點。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 結構分析

從圖 4可以看出,鋼錨梁最大等效應力68.325 MPa,出現在鋼錨梁錨箱外側U型板角點處；底板最大應力 39.66 MPa；端板最大應力28.412 MPa；側板最大應力38.171 MPa；頂板最大應力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力云圖（單位:MPa）

從圖 5可以看出,鋼錨梁最大等效應力284.637 MPa,出現在鋼錨梁錨箱外側U型板角點處；底板最大應力181.821 MPa；端板最大應力132.051 MPa；側板最大應力187.239 MPa；頂板最大應力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力云圖（單位:MPa）

從圖 6可以看出,鋼錨梁最大等效應力318.396 MPa,出現在鋼錨梁錨箱外側U型板角點處；底板最大應力184.333 MPa；端板最大應力145.465 MPa；側板最大應力207.482 MPa；頂板最大應力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力云圖（單位:MPa）

結合鋼錨梁在各工況下應力狀況,為充分發揮鋼錨梁結構優勢,充分利用鋼材受力性能,構造上采取下列措施:

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

（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 結語

鋼錨梁由受拉錨梁和受壓錨固結構構造組成。每對斜拉索面內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。通過采用精細有限元模型對鋼錨梁進行各工況靜力強度分析,結果顯示該方案在靜結構強度表現良好,設計合理。

[1]陳向陽,王昌將,史方華.大跨徑斜拉橋鋼錨梁的創新設計[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].重慶交通大學學報（自然科學版）,2011(3): 357-360．

[3]王新敏.ANSYS工程結構數值分析[M].北京:人民交通出版社, 2007.

[4]陳開利.鋼錨箱索塔錨固區受理機理[J].中國鐵道科學,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單節段模型有限元分析[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,從事橋梁設計研究工作。