自錨式懸索橋索塔橫梁空間網(wǎng)格實(shí)體分析

鄭 宇

(沈陽(yáng)市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015)

0 引言

一般橋梁橫梁在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用橋梁平面計(jì)算軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，如橋梁博士和MIDAS/Civil等，但是自錨式懸索橋的索塔橫梁本身受力復(fù)雜，不僅承擔(dān)著主索鞍的反力，還承擔(dān)著向下部索塔傳遞內(nèi)力的作用，是重要的傳力構(gòu)件，傳統(tǒng)平面計(jì)算軟件難以精確模擬如此復(fù)雜的邊界條件。

MIDAS/FEA具備MIDAS/Civil的結(jié)構(gòu)分析功能和幾何建模功能、網(wǎng)格劃分功能，并且含有土木結(jié)構(gòu)專用的分析功能，其操作與ANSYS等其他空間計(jì)算軟件相比相對(duì)簡(jiǎn)單，可視化強(qiáng)。因此本文使用MIDAS/FEA對(duì)索塔橫梁進(jìn)行建模計(jì)算分析。

1 概況

設(shè)計(jì)自錨式懸索橋位于遼寧省興城市，在興城市主城區(qū)南端、首山路上，橫跨興城河，位于入?？诟浇鳂?yàn)樗目邕B續(xù)獨(dú)塔自錨式懸索橋，跨徑布置為27+100+70+27=224 m。橋梁建成圖如圖1所示。

設(shè)計(jì)索塔總高66 m，橫向全寬41.5 m，縱向全寬5 m。其橫橋向外輪廓為通過(guò)圓曲線擬合而成的曲線，整體與橢圓相似，頂部開孔。內(nèi)輪廓由橢圓與直線構(gòu)成，橢圓長(zhǎng)半軸34 m，短半軸15.75 m。塔根部至高程13.432 m 區(qū)間采用實(shí)心截面，塔柱截面在高程13.432 m 之上部分為空心截面，四周側(cè)壁厚均為1.2 m。橫梁高度為6 m，橫梁之上部分為裝飾部分，裝飾部分高度為15 m。索塔塔身采用外包鋼殼的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，外包鋼殼在施工中兼作混凝土澆筑模板用，外包鋼殼內(nèi)緣設(shè)置22×120 mm圓柱頭焊釘，待塔身混凝土澆筑并達(dá)到強(qiáng)度后，與塔身鋼筋混凝土部分形成整體共同工作。塔頂橫梁內(nèi)配置預(yù)應(yīng)力鋼筋，索塔橫梁預(yù)應(yīng)力采用規(guī)格為19φs15.20的鋼絞線，鋼絞線抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa，公稱直徑d=15.20 mm。單根鋼絞線張拉控制應(yīng)力σcon=0.75fpk=1 395 MPa。索塔混凝土采用C50混凝土(微膨脹混凝土)，索塔鋼殼主體結(jié)構(gòu)采用Q345D鋼板。

2 計(jì)算條件

2.1 計(jì)算準(zhǔn)備

采用MIDAS/FEA對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬?；炷敛捎?節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元進(jìn)行模擬，網(wǎng)格劃分采用對(duì)實(shí)體進(jìn)行分塊后進(jìn)行映射網(wǎng)格的方法。這樣劃分的好處是可以控制實(shí)體單元的拓?fù)?，使其?jì)算性能較好。預(yù)應(yīng)力鋼筋采用FEA里提供的處理方法，即把預(yù)應(yīng)力鋼筋劃分網(wǎng)格后，程序自動(dòng)搜索鋼筋影響的實(shí)體單元，并在前處理階段在每個(gè)實(shí)體單元間劃分鋼筋段，程序可以自動(dòng)考慮把鋼筋段的剛度添加到母單元中，這樣的處理方法稱為植入式鋼筋，并可以考慮預(yù)應(yīng)力損失。

2.2 計(jì)算模型

按照橋塔結(jié)構(gòu)尺寸建立實(shí)體模型，建模過(guò)程中利用MIDAS/FEA中的CAD交互功能，在CAD中建立索塔的三維實(shí)體模型，導(dǎo)入到MIDAS/FEA計(jì)算模型中，實(shí)體模型采用四面體實(shí)體模型，人工設(shè)置好網(wǎng)格分割規(guī)則，由軟件進(jìn)行自動(dòng)劃分生成實(shí)體網(wǎng)格。塔頂橫梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束采用鋼筋梁?jiǎn)卧M，塔身鋼殼采用板單元進(jìn)行模擬，程序自動(dòng)與混凝土實(shí)體單元耦合。鋼束的兩端錨固于橋塔橫梁，邊界條件模擬采用塔底固結(jié)約束。

預(yù)應(yīng)力鋼束分布為在人孔處布設(shè)3排15-19鋼束，在無(wú)人孔處布設(shè)共4排15-19預(yù)應(yīng)力鋼束，模型建立如圖2～圖5所示。

2.3 計(jì)算荷載及工況

計(jì)算荷載主要包括恒載和活載，以及其他可變作用，主要包括以下內(nèi)容：

1)橋塔自重，包括索塔混凝土重量和外包鋼殼重量，以及通過(guò)主索鞍傳遞的結(jié)構(gòu)自重反力；

2)汽車活載(通過(guò)主索鞍傳遞的產(chǎn)生的反力施加)；

3)橋塔基礎(chǔ)變位：±2 mm；

4)橋塔整體升溫29 ℃，整體降溫25 ℃；

5)風(fēng)荷載，根據(jù)公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算。

由于篇幅所限，本文僅列出部分工況結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，包括以下兩個(gè)工況：

1)工況一：風(fēng)荷載+升溫+橋塔變位+結(jié)構(gòu)自重+汽車活載。

2)工況二：風(fēng)荷載+降溫+橋塔變位+結(jié)構(gòu)自重+汽車活載。

3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)模型的計(jì)算結(jié)果匯總?cè)缦拢?/p>

1)工況一計(jì)算結(jié)果，如圖6～圖9所示。

工況一：橫梁跨中斷面最大主拉應(yīng)力為0.513 MPa，最大主壓應(yīng)力為5.311 MPa。橫梁鋼殼的最大拉應(yīng)力為4 MPa，最大壓應(yīng)力為68 MPa。

2)工況二計(jì)算結(jié)果，如圖10～圖13所示。

工況二：橫梁跨中斷面最大主拉應(yīng)力為0.367 MPa，最大主壓應(yīng)力為4.511 MPa。橫梁鋼殼的最大拉應(yīng)力為28 MPa，最大壓應(yīng)力為51 MPa。

經(jīng)過(guò)模型計(jì)算可知，索塔橫梁按照A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算，橫梁鋼殼按照鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算，應(yīng)力結(jié)果均滿足規(guī)范要求，受力狀態(tài)良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了自錨式懸索橋的索塔橫梁設(shè)計(jì)計(jì)算，詳細(xì)介紹了索塔橫梁的建模過(guò)程，為同類型橫梁計(jì)算分析提供了計(jì)算參考。通過(guò)有限元計(jì)算分析，繪制了橫梁的空間應(yīng)力分布情況，索塔橫梁的混凝土和外包鋼殼受力均滿足要求。

參考文獻(xiàn):

[1] 于海賓.興城市首山路自錨式懸索橋索塔設(shè)計(jì)[J].遼寧省交通高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2015,17(1):11-13.

[2] 嚴(yán)國(guó)敏.現(xiàn)代懸索橋[M].北京：人民交通出版社，2002.

[3] 周孟波.懸索橋手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2003.