基于Abaqus的懸索橋主索鞍應力分析

□文/王洪龍 李 佶

主索鞍是懸索橋索塔頂端支撐主纜的重要部件，作用是將主纜的巨大豎向壓力均勻傳至索塔上，同時也可使主纜平緩地在塔頂過渡，減小由主纜方向改變造成的彎曲應力并形成優美的主纜線形[1～2]。

主索鞍不只要承受主纜對承纜槽的豎向壓力荷載，同時還要承受由主纜擠壓產生的側向壓力，承纜槽與主纜索股之間是空間曲面接觸，索鞍結構處于復雜的空間受力狀態中。主索鞍的縱肋用于抵抗豎向壓力荷載，承纜槽側壁和橫肋用于抵抗側向壓力荷載[3]。

1 工程概況

某橋結構較為新穎，是自錨式懸索斜拉協作體系，雙索面布置。主梁采用鋼梁，橋塔采用門式橋塔，梁體豎向荷載由斜拉索、纜索承擔，主梁水平力由主梁抵抗。主跨為450 m，主纜橫向布置2根，垂跨比1/14，主纜采用68股通長索股組成，每股為127絲直徑5.0 mm平行鋼絲索股。主索鞍長3 m、寬2.4 m、高2.08 m，見圖1。

圖1 主索鞍構造

先將鞍槽內的索股及隔板就位并調股，然后用鋅塊填滿，再用拉桿將鞍槽側壁拉緊。在鞍體下面設置聚四氟乙烯滑板以減輕摩擦力，更好地適應施工中的相對位移。為方便吊裝，主索鞍分為兩部分制造，吊裝就位后再用高強螺栓聯成整體。

2 抗滑驗算

根據《公路懸索橋設計細則》（征求意見稿）12.3.3條，主纜抗滑安全系數K應滿足

式中：μm為主纜與槽底或隔板間的摩擦因數，一般取0.2；αs為主纜在鞍槽上的包角，rad；Fct為主纜緊邊拉力，N；Fcl為主纜松邊拉力，N。

根據主索鞍設計圖紙及全橋縱向受力分析，主纜在鞍槽上的包角為0.483 rad，主纜緊邊拉力為12 543 kN，主纜松邊拉力為12 181 kN，將數據代入式（1）可得K=3.30，所以該橋的主纜抗滑滿足要求。由于垂跨比、包角均較小，建議采用構造措施，如壓緊裝置增加摩擦力。

3 有限元分析

主索鞍構件是一個復雜的三維受力空間結構，鞍槽部分受到主纜索股的向心壓力、主纜索股的側向壓力及側向壓力產生的彎矩等，因此空間有限元分析計算方法的應用在索鞍構件的設計時是必要的[4]。通過空間有限元分析，可對索鞍構件整體的應力水平有一個宏觀的把握，可對索鞍構件中各個板件布置的合理性有一個綜合的評價。

3.1 加載方式

纜力對鞍體作用力的模型見圖2，縱向按單位長度計。

圖2 鞍槽受力圖式

式中：fsr為索鞍上各列索股的向心壓力，N/mm；Fc為主纜力，取邊跨纜力和中跨纜力中的較大值，N；n為該列索股根數；ns為單根主纜中索股總數；rv為承纜槽圓弧半徑，mm。

最高索股頂至h處的側向壓力

式中：μ為鋼絲間摩擦系數，一般取0.15；b為槽路寬度，mm；fv為中央列索股單位體積豎向力，N/mm3。

式中：nSC為中央列索股股數；H為中央列索股總高度，mm。

根據以上公式可以計算得承纜槽底面和側面的壓力，然后加載到Abaqus模型中。

3.2 模型概況

首先用三維繪圖工具將索鞍模型繪制出來，然后導入到Abaqus中。網格以實體單元劃分，模型共計133 278個C3D10（三維十節點四面體）單元，見圖3。

圖3 主索鞍計算模型

3.3 計算結果分析

計算結果給出鞍座和應力云圖和各部分應力最值數據，由于索鞍由鑄鋼材料制作且處于復合壓應力作用環境下，因此取Von-Mises應力進行分析。

以兩種最不利工作狀態分別計算：在空纜纜力作用下未安裝拉桿；在最大纜力作用下張緊側壁拉桿。計算結果見圖4和圖5。

圖4 空纜纜力作用下索鞍鞍體應力

圖5 最大纜力作用下索鞍鞍體應力

高應力區主要出現承纜槽底部與縱肋連接部位以及縱肋與底板連接部位。見表1。

表1 Mises應力最大值 MPa

從表1可以看出，該橋主索鞍的應力結果分布較為均勻，相比于鞍體鑄鋼部分容許應力還有相當的安全儲備。

4 結語

經過分析發現，索鞍高應力區集中在索鞍各部件的連接部位。本計算主索鞍構件受力符合規范要求，但安全儲備較大，各板件厚度仍有優化空間。可見，雖然索鞍構件是一個受力復雜的三維空間結構，但在合理設置各個板件情況下，索鞍受力可以達到比較理想的效果。