大跨度斜拉桥钢锚箱式索梁锚固结构空间有限元模型比较研究

1、四川建筑科学研究Sichuan Building Science 第32卷 第1期2006年2月收稿日期:2004 12 15作者简介:万 臻(1977- , 女, 河南新郑人, 博士研究生, 主要从事桥梁结构行为研究、仿真分析及桥梁结构健康监测、状态评估等工作。E w 大跨度斜拉桥钢锚箱式索梁锚固结构空间有限元模型比较研究万 臻, 李 乔, 毛学明(西南交通大学土木工程学院, 四川成都 610031摘 要:在进行大跨度斜拉桥钢锚箱式索梁锚固结构空间非线性仿真分析时, 有限元模型的正确与否至关重要。由于目前软硬件能力的限制, 只能采用锚箱局部模型进行分析, 而模型中选取的结构范围及边界条件的不

2、同, 都会直接影响锚固区分析结果。通过对不同的有限元模型进行研究比较, 得到合理的建模方法, 用以判断实际结构中索梁锚固区的安全储备。这种仿真分析可以用于设计选型、锚箱研究及指导模型试验。关键词:斜拉桥; 索梁锚固结构; 钢锚箱; 有限元分析中图分类号:T U 311 文献标识码:A 文章编号:1008-1933(2006 01-0026-06Comparison and analysis of 3D finite element models of steel anchor box at the cable girder anchorage zone for long span cable

3、stayed bridgeWAN Zhen, LI Qiao, M AO Xue ming(School of Civil Eng ineering, Southw est Jiaotong U niversity, Cheng du 610031, ChinaAbstract:It is quite impo rtant to choose right and rational finite element model when doing 3 dimensional nonlinear analysis to steel anchor bo x at the cable girder an

4、chorage zone for lo ng span cable stayed br idge. But w ith the limitation o f practical software and hardware, only the local zone model can be adopted to analyze. And the results of analysis are influenced evidently by the finite ele ment models size and boundary condition. T he mo re r easonable

5、method can be gained by comparing different models, w hich can be used to estimate the safet y of practical steel anchor box of cable g irder anchorage. Fur thermore, this metho d can be applied for de signing and choosing type, researching and g uiding mo del test.Key words:cable stayed bridge; cab

6、le girder anchorage; steel anchor bo x; finite element analysis0 前 言大跨度斜拉桥结构中, 斜拉索与主梁的连接锚固构造是设计中需考虑的关键环节之一。由于索梁锚固区承受强大的索力集中荷载, 构造及传力状态均较复杂, 应结合理论计算与模型试验对之进行专门的分析研究, 才能使人们对锚固区传力方式、局部应力状态等有正确的认识。目前, 我国新建的几座大跨度斜拉桥中, 主梁形式多采用钢箱梁结构, 并在索梁锚固区的连接方式上采用了钢锚箱式连接, 如南京长江第二大桥以及目前兴建的安庆长江公路大桥、苏通长江公路大桥等。以往的研究表明, 钢锚箱结构

7、板件较多, 连接复杂, 但结构刚度大, 整体受力好, 其传力途径主要是通过锚箱锚固顶、底板及承压板等将索力传递给钢箱梁腹板, 因此要求锚箱必须足够强大, 锚箱与腹板的连接要求高, 否则, 会在腹板上出现严重应力集中现象1。通常对钢锚箱结构进行初步设计研究时, 可以采用空间有限元进行模拟, 由于重点研究的是钢锚箱局部的受力状况, 可以选取实际结构中索力较大的某一代表索梁锚固区建立局部计算模型。锚箱箱体仅通过与腹板间的焊缝与主梁腹板连接, 力与位移的边界条件简单, 这部分应力分布较为容易模拟准确; 但所取出的局部模型的箱梁腹板与整体结构之间的边界条件则十分复杂。实桥中腹板不但承受锚箱直接传递来的局

8、部剪力、法向力和扭矩, 而且还承受由于结构总体变形产生的轴力、剪力、弯矩、翘曲双力矩和扭矩, 模型应充分考虑这些影响。通常为简化计算, 取锚箱结构最不利受力状态, 如采用全26载, 并参照圣维南原理确定模型梁段的长度, 该长度应保证锚箱附近范围内的腹板应力受模拟边界条件影响较小。本文作者将重点比较索梁锚固段空间有限元分析中, 梁段长度及边界条件的选取对计算模型的影响, 从而揭示锚固区较为真实的局部应力分布规律和索力扩散规律, 判断锚箱及其附近主梁腹板的安全储备。1 钢锚箱基本构造及计算模型建立索梁锚固梁段空间有限元模型前, 首先要确定钢锚箱的计算模型, 因为锚箱结构相对独立, 为主要受力兼传力

9、机构2, 锚箱模型的选取合理, 那么, 传递到主梁腹板上的应力就较为准确; 其次, 考虑所取梁段的边界条件的影响, 使腹板上应力分布与实际情况较为接近。钢锚箱连接板件较多, 其主要构造包括两块锚固板(锚箱顶、底板 、锚固板两侧的加劲板, 两块锚固板间的加劲板以及承压板等, 如图1 所示。由于图1 钢锚箱结构Fig. 1 Steel anchor box锚箱底部处锚垫板和承压板之间是一种紧密压贴的关系, 其传力方式在有限元建模中就要特殊考虑。通过比较多种模型处理方法, 如等效板厚方法3、非线性接触单元方法、实体单元加非线性接触单元方法等, 并结合已有模型静载试验研究, 确定计算钢图2 有限元离散

10、模型 实体单元加接触单元Fig. 2 Finite element model锚箱的有限元模型采用实体单元加非线性接触单元方法能够真实、合理地反映实际锚箱受力情况。该方法可以表述如下:锚箱中各钢构件均可采用空间高阶壳单元(主梁中也如此 , 并考虑材料非线性及几何非线性; 钢锚箱底部的锚垫板采用实体单元, 在锚垫板与承压板间建立非线性接触单元来模拟面 面之间的紧密贴合。空间有限元离散模型如图2所示。2 索梁锚固梁段计算模型现以长江某大跨度斜拉桥为研究对象, 为确定全桥实际结构中各锚箱及其附近主梁腹板的安全储备, 通常选取索力较大的某一代表索梁锚固区及附近梁段, 建立局部结构计算模型, 然后参照圣

11、维南原理确定的梁段合理长度应保证锚箱附近范围内的腹板应力受模拟边界条件影响较小。此外, 由于该梁段的边界条件随施工过程变化而变化, 腹板应力分布也会随之改变, 因此, 分别建立不同梁段长度及边界条件的空间计算模型, 通过比较分析, 从而确定较为合理的计算模型, 摸索出应力真实分布情况。以下各模型梁段均取半断面为研究对象, 梁中线处约束水平横向位移。2 1 一个索梁锚固梁段、两端固结模型(模型1如图3(a 所示, 模型1选取锚箱所在的一个梁段长度并两端均固结作为边界条件, 由于距锚箱较近的端部采用固结处理会对锚箱受力变形产生极大约束, 这与实际桥梁结构工况相差较大, 应力分布的 偏差可能较大。图

12、3 索梁锚固区各种计算模型Fig. 3 Different m odels of steel anchor box atthe cable girder anchorage zone2 2 一个索梁锚固梁段、悬臂状态模型(模型2 通过分析模型1计算结果表明, 接近锚箱的梁端部的边界条件是影响锚箱及附近腹板应力分布的主要原因。在斜拉桥施工过程中, 该梁段吊装、斜拉索张拉完毕后, 其边界条件可以用悬臂状态进行模拟, 因此, 模型2可以模拟悬臂施工阶段锚箱及附近272006No. 1万 臻, 等:大跨度斜拉桥钢锚箱式索梁锚固结构空间有限元模型比较研究 图4 焊缝处剪应力分布Fig. 4 Shear

13、stresses distributing along welding line of topand bottom plane(MPa2 3 两个索梁锚固梁段、悬臂状态模型(模型3在实桥中, 一部分索力是施工阶段施加的, 另一部分是成桥后施加的。当斜拉桥主跨合拢后, 锚箱后面的梁段是连续的, 基于这种考虑, 建立了计算模型3, 除考虑锚箱所在梁段外, 还考虑锚箱后延长一个梁段的共同作用, 边界条件取悬臂状态, 如图3(c 所示。2 4 两个索梁锚固梁段、两端固结模型(模型4在模型3的基础上, 考虑到成桥后实际结构中相邻梁段会对锚箱所在梁段产生纵向约束效应, 如图3(d 所示, 将梁段两端均固结

14、, 这种近似模拟比实际结构的约束要强一些, 属偏于安全。3 索梁锚固梁段模型计算比较分析3 1 不同模型锚箱焊缝剪应力分布比较锚箱作为传力机构, 主要是通过焊缝上的剪应力将索力荷载传递到主梁腹板上, 因此, 焊缝剪应力的分布十分重要。现将各模型锚箱焊缝等分成20段, 将各对应等分点剪应力合力计算结果列于表1,可以近似模拟焊缝上剪应力之和的规律; 图4为顶、底板焊缝各等分点处剪应力分布之比较, 图中横坐标为从锚箱承压板起沿焊缝方向的距离(m , 竖坐标为剪应力(M Pa , 该图代表由锚箱向腹板传递剪力的分布规律。表1 锚箱顶、底焊缝上各等分点剪应力之和Table 1 The sum of po

15、ints shear -stresses along weldingline of steel anchor box /MPa模型1模型2模型3模型4顶板焊缝各等分点剪应力之和15. 27489. 80473. 35445. 82底板焊缝各等分点剪应力之和102. 93433. 99375. 31367. 85图5 不同模型腹板主拉应力分布Fig. 5 Principal tensile stress distributing of different models (kPa28四川建筑科学研究第32卷从表1中明显看出, 模型1的锚箱顶底板焊缝没有起到主要传力作用, 绝大部分剪力是通过承压板传

16、递的, 这与试验情况相差较远, 此模型不可行。下面主要比较其它3个模型, 可以看到:(1 剪应力沿焊缝变化趋势一致, 均为两端较大, 中间较小且平缓。需要指出的是, 锚板顶端由于模型单元的处理, 会出现应力奇异点; 此外, 在中间平缓段中的小突起, 是由于腹板背面布置了横隔板, 其作用在底板焊缝上较为明显。(2 在承压板附近, 各模型中均反映了顶板焊缝的剪应力较底板大, 且模型4计算结果描绘出应力值上限, 顶板附近最大约为52M Pa, 底板附近最大约为30M Pa 。(3 在锚板顶端(远离承压板的一端 附近, 除端点外, 底板焊缝剪应力略大于顶板, 且模型2计算结果描述了该处应力值的上限,

17、均在72M Pa 之内。(4 此外, 计算结果还显示了各模型锚箱上的应力分布大体相同。说明锚箱受到选取梁段的约束条件影响较小, 只要保证锚箱模型各构件连接方式与实际结构相同, 计算结果就能真实地反映锚箱的应力分布情况。3 2 不同模型腹板应力分布比较几种模型的计算结果都显示, 锚箱附近腹板的应力分布沿锚板焊缝也呈现两端小区域内应力较大, 中间大范围内应力较小且分布均匀, 大致均在2050MPa 范围内的一种趋势。因此, 重点只比较各模型腹板应力在锚箱承压板附近及锚板顶端附近区域的分布。3 2 1 不同模型腹板主拉应力分布比较为便于比较各模型计算结果, 除用等值线描述主拉应力分布情况外, 还将承

18、压板外侧、锚板顶端附近较大主拉应力的数值及出现位置示于图5中, 可以看出 :图6 不同模型腹板主压应力分布Fig. 6 Principal pressure stress distributing of dif ferent models (kPa292006No. 1万 臻, 等:大跨度斜拉桥钢锚箱式索梁锚固结构空间有限元模型比较研究(1 锚箱附近的腹板上, 承压板外侧区域为高拉应力区, 范围小且比较集中, 最大应力值基本出现在承压板外侧中心附近, 随后向两边逐渐减小, 并向远离承压板方向迅速扩散, 减小至2550M Pa, 直到锚板顶端附近, 主拉应力也较小。(2 模型2为悬臂结构, 主梁

19、随锚箱变形而产生变形, 承压板后主拉应力值相对较小, 最大为155M Pa; 模型3由于延长考虑了一个梁段, 其延长梁段的自重对锚箱变形产生一定影响, 所以, 承压板后主拉应力较模型2计算值大, 最大为186M Pa; 模型4受到纵向面内约束, 其计算局部区域最大达到215M Pa, 比模型2要大30%左右。此外, 承压板与腹板焊缝处的主拉应力, 模型4也较模型2高约18%左右。3 2 2 不同模型腹板主压应力分布比较同样, 用等值线描述腹板主压应力分布情况外, 也将承压板内侧、锚板顶端附近较大主压应力的数值及出现位置示于图6中, 从图中可以看出:(1 锚箱附近的腹板上, 承压板内侧区域为大应

20、力受压区, 范围也很小且集中, 最大应力值基本出现在承压板内侧中心附近, 随后向远离承压板方向迅速扩散, 减小至-25-50M Pa, 直到锚板顶端附近后, 应力值又迅速增大。(2 由于前述的约束作用, 主压应力计算结果为模型2最大, 模型4最小, 承压板内侧附近各模型计算结果较为接近, 模型2最大值为-156MPa, 模型4最大值为-141M Pa; 但在锚板顶端附近计算结果相差较大, 模型2最大值达到-206MPa; 而模型4最大值仅为-72MPa 。3 2 3 不同模型腹板M ises 等效应力分布比较图7中同样用等值线描述腹板Mises 等效应力分布情况, 也标示了承压板内、外侧及锚板

21、顶端附近较大等效应力的数值及出现位置, 可以看出 :图7 不同模型腹板等效应力分布Fig. 7 Mises stress distributing of dif ferent models (kPa(1 等效应力分布即综合反映了腹板上各处被拉或压应力所控制的情况, 其趋势也近似:在承压板内、外侧等效应力值均较大, 但范围很小且集中, 最大应力基本出现在承压板中心附近处, 随后向四周30四川建筑科学研究第32卷2006 No. 1 万 臻, 等: 大跨度斜拉桥 钢锚箱式索梁锚固结构空间有限元模型比较研究 31 远离承压板方向迅速扩散, 减小至 25 50M Pa, 直 到锚板顶端附近后, 应力值

22、又迅速增大。 ( 2 不同模型计算结果中, 承压板内侧等效应力 较接近, 最大应力值在 126 138 M Pa 之间, 区别最 大的地方就在于承压板外侧及锚板顶端附近。模型 2 计算结果描述了锚板顶端附近等效应力值的上限 211 M Pa( 实际结构中远小于此值 ; 模型 4 计 算结果则描述了承压板外侧等效应力值的上限 193 MPa。 外, 其余 3 种模型计算结果均可作为设计的初步参 考。应力分布在锚箱焊缝中部区域分布较为一致、 平缓, 且均保持在 25 50MP a; 但在承压板外侧及 锚板顶端附近处应力值差别较大。 ( 3 判断实际结构中索梁锚固区的安全储备, 应 选取模型 2 和模型 4 共同进行分析。通过设计资料 可知, 索力大部分作用在施工阶段, 与模型 2 情况接 近; 小部分作用在成桥阶段, 与模型 4 情况接近。应 该分别计算两种情况的应力, 然后再叠加, 即可得到 实际应力, 从而描绘出腹板上不同区域的应力分布。 这种方法可用于今后的初步设计、 锚箱研究及指导 模型试验。 参 考 文 献: 1 陈