某自錨式懸索橋鋼箱梁分析的單元模型研究

王 玨

(大連金灣建設(shè)集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116600)

自錨式懸索橋建造困難的主因是在架設(shè)主纜之前需要先將橋體結(jié)構(gòu)架立起來[1,2]。1990年建成的330跨度的大阪Konohana橋是世界上首次建造的大跨度自錨式懸索橋，自此以后，世界各地陸續(xù)建設(shè)了一些大跨度自錨式懸索橋。有限元模型與方法是橋梁分析的重要工具，但需要利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其模型進(jìn)行校驗(yàn)。Ochsendorf和Billington[1]采用有限元方法分析了Konohana自錨式懸索橋。Romeijn等[2]利用有限元軟件對(duì)自錨式懸索橋進(jìn)行了參數(shù)研究。

本文采用殼單元有限元法[3]和梁格方法[4]研究自錨式懸索橋的鋼箱梁，在梁格方法中分別采用了鐵摩辛柯梁單元和歐拉—貝努力梁單元。采用四個(gè)實(shí)測(cè)結(jié)果測(cè)試了上述三種有限元模型的有效性。

1 自錨式懸索橋有限元分析模型

某自錨式懸索橋如圖1所示，主跨長157.1 m，其主纜錨于其主梁上，邊跨長86.4 m，其主纜地錨。主塔為矩形截面的變截面鋼筋混凝土獨(dú)柱。14排吊索僅布置于主跨。主橋加勁梁為單箱四室的雙鋼箱。針對(duì)鋼箱梁，分別采用殼單元、鐵摩辛柯梁單元和歐拉—貝努力梁單元模型。主索和吊桿都采用桁架單元，主塔采用鐵摩辛柯梁單元，所有支撐處的豎向位移都取為固定約束。

2 自錨式懸索橋分析結(jié)果

在結(jié)構(gòu)自重情況下，橋面底板Mises應(yīng)力與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與三種有限元分析模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以便確定該橋的合理有限元分析模型。

圖2給出的是鋼箱加勁梁底板上Mises應(yīng)力的計(jì)算位置和實(shí)測(cè)位置的平面圖。實(shí)測(cè)位置分別位于加勁梁第5號(hào)和第8號(hào)吊索的上、下游底板位置。

圖3和圖4分別給出了上游底板和下游底板上計(jì)算位置的Mises應(yīng)力對(duì)比曲線。由圖3和圖4可見，采用殼單元的Mises應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值接近，最大相對(duì)誤差約為9.5%，相對(duì)誤差約為3.0%；采用鐵摩辛柯梁和歐拉—貝努力兩種梁單元的計(jì)算結(jié)果的誤差大。由圖3和圖4可知，結(jié)構(gòu)自重條件下，三種有限元分析模型的最大Mises應(yīng)力值均出現(xiàn)于第11號(hào)吊桿位置的上游底板和下游底板處；采用殼單元給出的最大Mises應(yīng)力值為32.7 MPa，采用鐵摩辛柯梁單元給出的最大Mises應(yīng)力值為39.8 MPa，采用歐拉—貝努力梁單元給出的最大Mises應(yīng)力值為41.2 MPa。

3 結(jié)語

自錨式懸索橋鋼箱梁有限元分析時(shí)應(yīng)采用殼單元。采用鐵摩辛柯梁單元和采用歐拉—貝努力梁單元的梁格模型的計(jì)算精度都較差。采用鐵摩辛柯梁單元和采用歐拉—貝努力梁單元的梁格模型計(jì)算給出的各吊桿應(yīng)力結(jié)果相近，但明顯不同于采用殼單元計(jì)算給出的各吊桿的應(yīng)力結(jié)果。

[1] J.A.Ochsendorf,D.P.Billington.Self-anchored suspension bridges[J].Journal of Bridge Engineering,1999,4(3)：151-156.

[2] A.Romeijn,R.Sarkhosh,D.Goolen.Parametric study on static behaviour of self-anchored suspension bridges[J].International journal of steel structures,2008,8(2):91-108.

[3] S.D.Kulkarni,S.Kapuria.A new discrete Kirchhoff quadrilateral element based on the third-order theory for composite[J].Computational Mechanics,2005,39(5):237-246.

[4] E.C.Hambly,E.Pennells.Grillage analysis applied to cellular bridge decks[J].Struct.Eng.,1975,53(7):267-275.