基于SolidWorks和ANSYS的斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)與有限元分析*

郭安娜

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430063)

斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)是將主梁自重和主梁承受的外荷載傳遞給斜拉索的重要受力部件[1]。目前國內(nèi)運(yùn)用最為廣泛的2種索梁錨固形式是錨拉板式和鋼錨箱式[2-4]。下面以這2種形式結(jié)合工程實(shí)例對斜拉橋中索梁錨固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析展開介紹。

1 參數(shù)化設(shè)計(jì)

索梁錨固結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一種空間結(jié)構(gòu)(見圖1、圖2)，其構(gòu)造受斜拉索與順橋向橋面夾角α和斜拉索與橋面板橫橋向夾角β的控制，其中α變化范圍較大，β變化范圍較小，兩者均與斜拉索順橋向布置、錨固腹板傾斜角度和橋塔外形等相關(guān)。復(fù)雜的空間角度使得每根索對應(yīng)的錨固結(jié)構(gòu)中各種板件尺寸都不一樣。如果基于AutoCAD軟件對每一個(gè)錨固結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，重復(fù)性高，效率低。本文借助于三維機(jī)械CAD軟件SolidWorks，實(shí)現(xiàn)三維參數(shù)化設(shè)計(jì)[5]。

圖1 泉州灣跨海大橋錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)

圖2 楊泗港快速通道青菱段斜拉橋鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)

首先繪制裝配體草圖，定義結(jié)構(gòu)的控制參數(shù)；然后以繪制的草圖為截面，通過實(shí)體特征命令構(gòu)建三維模型；最后從三維模型中自動(dòng)產(chǎn)生工程圖。當(dāng)修改參數(shù)時(shí)，三維模型和工程圖實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更新，幫助設(shè)計(jì)人員完成參數(shù)化可視化驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。

給出2種工程實(shí)例中索梁錨固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程，一種是泉州灣跨海大橋采用的錨拉板索梁錨固形式，該橋采用70 m+130 m+400 m+130 m+70m雙塔雙索面鋼-混結(jié)合梁斜拉橋，全橋共72對斜拉索，梁上標(biāo)準(zhǔn)間距10.5 m，α角變化范圍27.87°～77.61°，β角變化范圍89.25°～92.72°，最大索力6 846 kN，錨拉板式連接是將主梁邊腹板穿過頂板，與錨拉板焊接，錨拉板中部設(shè)承壓板增加錨固結(jié)構(gòu)的橫向剛度和整體性；另一種是楊泗港快速通道青菱段40 m+88 m+252 m+88 m+40 m雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋采用的鋼錨箱索梁錨固形式，全橋共36對索，梁上標(biāo)準(zhǔn)間距12 m，α角變化范圍28.12°～52.62°，β角變化范圍84.65°～89.00°，最大索力7 767 kN，鋼錨箱錨固結(jié)構(gòu)組成主要包括錨墊板、承壓板、連接主梁與錨箱底板的錨固板及焊接于錨固板和承壓板上的各類加勁板，這些板類結(jié)構(gòu)共同形成一個(gè)比較穩(wěn)定的箱式結(jié)構(gòu)。

圖3、圖4給出了2種不同形式的SolidWorks簡化模型，通過驅(qū)動(dòng)不同角度下的控制參數(shù)，可以完成三維模型、工程圖和材料用量的自動(dòng)更新，實(shí)現(xiàn)索梁錨固結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)。從結(jié)構(gòu)構(gòu)造來看，索梁鋼錨箱錨固形式板件較多、構(gòu)造相對復(fù)雜；錨拉板結(jié)構(gòu)板件較少、構(gòu)造簡潔。

圖3 鋼錨箱SolidWorks模型

圖4 錨拉板SolidWorks模型

2 有限元模型

完成參數(shù)化設(shè)計(jì)后，需重點(diǎn)分析結(jié)構(gòu)的傳力機(jī)理和受力特點(diǎn)。要進(jìn)行精細(xì)化的局部應(yīng)力分析，還需要借助專業(yè)有限元通用軟件ANSYS。這里將SolidWorks軟件和ANSYS軟件結(jié)合起來[6-7]，SolidWorks快速精準(zhǔn)參數(shù)化建模的特點(diǎn)解決了ANSYS建模能力的不足。

對鋼主梁的斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時(shí)，采用實(shí)體單元模擬錨固結(jié)構(gòu)中的錨墊板，板殼單元模擬鋼主梁和錨固結(jié)構(gòu)其他構(gòu)件。所以在進(jìn)行有限元分析前，先借助ANSYSY SCDM工具將索梁錨固結(jié)構(gòu)的SlidWorks實(shí)體模型進(jìn)行中面模型的抽取，并相應(yīng)保存為SAT文件，導(dǎo)入到ANSYS軟件，對模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，隨后進(jìn)行有限元分析。為減小邊界條件對錨固區(qū)的影響，取錨固結(jié)構(gòu)所在區(qū)域的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)梁段進(jìn)行分析，主梁梁端采用固定約束，索力轉(zhuǎn)化為壓力形式作用于錨墊板承壓面，有限元簡化模型見圖5、圖6。

圖5 鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)ANSYS模型

圖6 錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)ANSYS模型

3 結(jié)構(gòu)的受力分析及對比

以楊泗港斜拉橋采用的索梁錨固形式為例，進(jìn)行有限元分析，從圖7、圖8結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力云圖來看，鋼錨箱索梁錨固結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理為：索力以面荷載形式施加于錨墊板，錨墊板以端面承壓形式傳遞給承壓板，承壓板將力分別傳遞給錨固板和腹板；錨固板上的力通過其與腹板間的熔透焊縫受剪傳遞給腹板；腹板上的力通過橫隔板、頂板和底板，傳遞擴(kuò)散給整個(gè)主梁。表1列出這種結(jié)構(gòu)各構(gòu)件最大應(yīng)力值及其出現(xiàn)的位置，觀察發(fā)現(xiàn)，在承壓板和錨固板與腹板的焊縫處容易出現(xiàn)較高應(yīng)力，顯示最大Von Mises應(yīng)力為322.46 MPa，出現(xiàn)在錨墊板和承壓板焊縫頂部位置，大部分區(qū)域應(yīng)力值小于200 MPa。

圖7 鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力云圖一(單位：kPa)

圖8 鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力云圖二(單位：kPa)

構(gòu)件最大Von Mises應(yīng)力/MPa對應(yīng)位置錨固板148.4錨固板與主梁腹板焊縫頂端加勁板184.5加勁板與承壓板焊接處承壓板208.7與主梁腹板焊縫處錨墊板322.5與承壓板焊縫頂部位置(應(yīng)力集中點(diǎn))

以泉州灣跨海大橋采用的索梁錨固形式為例，結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力云圖見圖9、圖10，由圖可見錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)，索力以面荷載形式施加于錨墊板，錨墊板以端面承壓形式傳遞給錨拉管，錨拉管通過其與錨拉板間的熔透焊縫傳遞到錨拉板，再由錨拉板與鋼主梁腹板間對接焊縫直接傳遞到腹板，腹板上的力通過橫隔板、頂板和底板，傳遞擴(kuò)散給整個(gè)主梁。表2列出這種結(jié)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件最大應(yīng)力值和出現(xiàn)的位置，應(yīng)力較多地集中在錨拉板中間部分，錨拉板與錨拉管焊縫連接區(qū)域下端(錨拉板開孔上圓角)出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，達(dá)到448.2 MPa，但在很小區(qū)域內(nèi)應(yīng)力水平迅速擴(kuò)散下降，大部分區(qū)域應(yīng)力值小于230 MPa。

圖9 錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力云圖一(單位：kPa)

圖10 錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力云圖二(單位：kPa)

構(gòu)件最大Von Mises應(yīng)力/MPa對應(yīng)位置錨拉板N1466.8 錨拉板開孔上圓角(即錨拉板與錨拉管焊縫下端)承壓板N3131.0與錨拉板焊縫末端錨墊板N2344.5錨墊板承壓面圓孔周緣錨拉管N6363.0與錨墊板焊接位置上套筒N799.7與上圓板接觸面的內(nèi)圓環(huán)處上圓板N497.2與錨拉管接觸面的內(nèi)圓環(huán)處加勁板N5122.8與上套筒焊接下端

通過比較2種常見索梁錨固形式的受力機(jī)理，可以看出錨拉板結(jié)構(gòu)傳力簡潔，總體應(yīng)力水平合理，但錨拉板與錨拉管間焊縫、錨拉板開槽的上圓角處出現(xiàn)了嚴(yán)重的應(yīng)力集中，應(yīng)力水平超過了材料的屈服強(qiáng)度，出現(xiàn)了小范圍塑性區(qū)；索梁鋼錨箱結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布均勻、受力狀態(tài)良好、傳力均勻可靠，只有錨箱與縱腹板連接焊縫的端部等局部小范圍區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中，但應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度。

4 結(jié)論

1) 針對斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)中2種常見的鋼錨箱式和錨拉板式構(gòu)造，借助SolidWorks軟件進(jìn)行實(shí)體建模，完成了三維參數(shù)化可視驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，相對二維設(shè)計(jì)更加高效精準(zhǔn)。

2) 在索梁錨固結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析中，通過將SolidWorks建模和ANSYS分析有效結(jié)合，提高了建模效率和質(zhì)量，簡化了有限元分析工作。

3) 結(jié)合工程實(shí)例，通過三維參數(shù)化建模和有限元分析，總結(jié)比較了鋼錨箱式和錨拉板式2種常見索梁錨固形式的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、受力特點(diǎn)和傳力機(jī)理，可為斜拉索索梁錨固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析提供參考。

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