大跨度钢桁梁斜拉桥索梁锚固区应力分布分析研究

2016-11-18王涛

城市道桥与防洪 2016年7期

关键词：索索垫板分布图

王涛

（中铁二十一局集团有限公司第六工程有限公司，北京市 100000）

大跨度钢桁梁斜拉桥索梁锚固区应力分布分析研究

王涛

（中铁二十一局集团有限公司第六工程有限公司，北京市 100000）

斜拉桥索梁锚固区在恒载、主力组合下应力分布规律基本相同，整体应力较小，仅在锚固垫板附近较大；拉索索力影响的范围较小，扩散较快。斜拉桥的索梁锚固区段内，受到拉索强大的集中力。而且由于孔洞削弱等原因，应力状况比较复杂，有必要进行有限元的力学模型的局部分析，以全面反映结构的实际工作状态和应力分布。

索梁；锚固区；应力；有限元；应力分布

0　引言

斜拉桥主要由主梁、索塔及斜拉索组成，现多采用密索体系，属于高次超静定结构［1］。不论是斜拉桥的结构型式还是实际受力状况，采用平面模型都难以准确地模拟，但现在桥梁的设计及规范一般仍是依据平面分析的结果。为了保证桥梁结构的安全，有必要对己设计好的结构进行空间分析，以校核设计，确保桥梁施工和使用的安全［2］。斜拉桥的索塔、索梁锚固区段以及一些特殊节点处，受力比较复杂。特别是局部有强大集中力作用或是构造、材料有突变的部位，在设计、计算中，如果不进行有限元的力学模型的局部分析，很难全面反映结构的实际工作状态和应力分布［3］。

1　有限元模型

本文选取某大跨度斜拉桥的中跨中桁顶索与中桁的锚固节点锚固区进行分析。为了减小由于局部模型边界对结合部位应力场的影响，取与该节点相连的各杆件全长建立模型，并在各杆件的端部施加由整体分析得到的位移值［4］。计算模型见图1。

图1　索梁锚固区计算模型

模型中桁架杆件采用SHELL43单元，共7524个单元。斜拉索索力以分布力形式施加于锚垫板上。

2　恒载工况下索梁锚固区分析

将恒载索力转化为匀布力施加于锚垫板上，并在边界截面的节点上施加恒载位移，由于边界距离锚固区的距离较远，这种近似的边界条件引起的误差不会影响计算结果。索梁锚固区纵向、横向、竖向正应力的分布见图2～图4。第一主应力、第三主应力分布见图5、图6。

图2　纵向正应力分布图（Pa）

图3　横向正应力分布图（Pa）

图4　竖向正应力分布图（Pa）

图5　第一主应力分布图（Pa）

图6　第三主应力分布图（Pa）

由上述计算结果可以看出，在恒载斜拉索索力的作用下，索梁锚固区应力分布具有如下特征：

索梁锚固节点在拉索集中力作用下，整体应力较小，仅在锚固垫板附近较大。说明拉索索力影响的范围较小，扩散较快。除锚垫板附近，其他区域的正应力和主应力均不超过20 MPa，锚垫板应力集中处的各项应力值一般也在100 MPa以下（主应力在120 MPa以下）。桥梁主要杆件采用Q370q-E钢材，容许应力均在200 MPa以上，因此在恒载索力作用下，索梁锚固区应力有较大富余量。

3　主力组合作用下索梁锚固区分析

将主力组合索力转化为匀布力施加于锚垫板上，索梁锚固区纵向、横向、竖向正应力的分布见图7～图9。第一主应力、第三主应力分布见图10、图11。

图7　纵向正应力分布图（Pa）

图8　横向正应力分布图（Pa）

图9　竖向正应力分布图（Pa）

图10　第一主应力分布图（Pa）

图11　第三主应力分布图（Pa）

由上述计算结果可以看出，在主力组合作用下，索梁锚固区应力分布与恒载工况规律具有基本相同的分布规律：整体应力较小，仅在锚固垫板附近较大；拉索索力影响的范围较小，扩散较快；除锚垫板附近，其他区域的正应力和主应力均不超过30 MPa，锚垫板应力集中处的各项应力值一般也在120 MPa以下（主应力在140 MPa以下）。与恒载状况比较，杆件的应力幅在20～30 MPa左右，符合铁路桥梁钢结构设计规范的要求。