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        V形拱塔斜拉橋鋼錨箱結(jié)構(gòu)受力分析

        2015-01-12 02:17:28趙文溥
        山西交通科技 2015年3期
        關(guān)鍵詞:墊板斜拉橋拉索

        趙文溥

        (山西省交通科學(xué)研究院,山西 太原 030006)

        隨著橋梁技術(shù)的不斷進(jìn)步,橋梁逐漸向輕型化和組合化發(fā)展,尤其隨著現(xiàn)代人生活水平日漸提高,人們對(duì)城市的美觀提出了更高的要求[1]。V形拱塔斜拉橋因其漂亮的造型以及優(yōu)美的結(jié)構(gòu)受到越來(lái)越多橋梁工作者的青睞。鋼錨箱是斜拉索索力的重要傳力構(gòu)件,鋼錨箱的安全可靠是該橋型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文基于ANSYS對(duì)鋼錨箱所處的拱塔節(jié)段進(jìn)行受力分析計(jì)算,獲得了該錨固區(qū)應(yīng)力的大小和分布規(guī)律,為該橋設(shè)計(jì)提供了有用的參考依據(jù)。

        1 工程概況

        本文研究的索輔體系斜拉橋,依托于遼寧省朝陽(yáng)市新城東街大橋(圖1),該橋主跨布置為90+90=180 m;引橋跨徑為(29.98+30.02)m和單跨30.04 m,主梁采用單箱四室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁,斜腹板。全寬34 m,梁高2.8 m,頂板厚280 mm,底板厚280 mm,塔處增加到550 mm;腹板厚450 mm,塔處斷面增加到750 mm。塔采用雙拱塔V字形,拱塔中心傾斜20°。拱軸線為橢圓線,拱塔斷面為單箱單室鋼箱斷面。拱塔拉索錨固采用鋼錨箱方式,錨箱腹板厚度40 mm,高度1.3 m或1.7 m,塔上索距垂直間距2 m。本文研究的鋼錨箱實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖1 總體布置示意圖

        圖2 鋼錨箱示意圖

        該橋?yàn)閂型雙拱塔異形結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,尤其是索塔錨固結(jié)構(gòu)為關(guān)鍵受力部位,必須重點(diǎn)加以考慮。

        2 整體計(jì)算

        在該斜拉橋中,拱塔采用雙拱塔V字形,拱塔中心傾斜20°。拱軸線為橢圓線,拱塔斷面為單箱單室鋼箱斷面,主塔拉索分為水平索和斜拉索。

        對(duì)斜拉橋索塔錨固區(qū)進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí),一般做法是先對(duì)全橋結(jié)構(gòu)利用桿系有限元程序進(jìn)行分析,得出索塔斷面的組合內(nèi)力和索力,然后取適當(dāng)?shù)墓?jié)段進(jìn)行三維實(shí)體有限元分析[2]。

        首先利用Midas Civil建模型(圖3),梁?jiǎn)卧M混凝土主梁,桁架單元模擬拉索。計(jì)算模擬一次落架施工。整個(gè)計(jì)算模型共268個(gè)節(jié)點(diǎn),264個(gè)單元,計(jì)算采用kN、m制,應(yīng)力單位為MPa。最終計(jì)算分析出最不利荷載作用下,斜拉索受到的索力。

        圖3 Midas計(jì)算模型

        圖4 最不利荷載下最大索力(單位:kN)

        由圖4可以看出在最不利荷載作用下10號(hào)索受到的拉力最大,故選取MX10號(hào)錨箱進(jìn)行建模并進(jìn)行數(shù)值分析,得出斜拉橋索塔錨固區(qū)的應(yīng)力分布狀況。

        3 鋼錨箱有限元數(shù)值計(jì)算

        所研究的鋼錨箱由于受力復(fù)雜,所以我們選擇10號(hào)鋼錨箱所處的鋼拱塔節(jié)段建立實(shí)體模型進(jìn)行分析,這樣可以模擬更加真實(shí)的受力環(huán)境取得更加準(zhǔn)確的結(jié)果。

        拱塔結(jié)構(gòu)的材料屬性如表1所示。

        表1 鋼板材料屬性表

        計(jì)算模型采用SHELL63彈性殼單元,把在最不利工況下的斜拉索索力換算成錨墊板區(qū)域(除去圓孔面積)的均布面力,其作用方向與拉索方向保持一致(垂直于承壓板),斜拉橋鋼拱塔和鋼錨箱二者接觸面節(jié)點(diǎn)完全耦合,共同受力,模型中拱塔節(jié)段兩端施加固定端約束,同時(shí)還要考慮節(jié)段頂部截面受到上部拱塔的壓力作用,計(jì)算中將其換算為均布荷載施加到頂部截面上[3]。

        圖5 鋼拱塔節(jié)段有限元模型

        圖6 鋼錨箱有限元模型

        4 計(jì)算結(jié)果分析

        本文計(jì)算的鋼錨箱處于復(fù)雜的三向應(yīng)力狀態(tài),通過(guò)對(duì)上述模型進(jìn)行計(jì)算,得出了如下分析結(jié)果:

        圖7 N1板Mises應(yīng)力云圖(單位:kPa)

        圖8 N1a板Mises應(yīng)力云圖(單位:kPa)

        從圖7、圖8中,我們可以看出鋼錨箱N1、N1a側(cè)板與錨墊板連接處產(chǎn)生的應(yīng)力比較大,最大分別能達(dá)到111.6 MPa和102.5 MPa。這是由于在該處錨墊板受到斜拉索索力作用,斜拉索產(chǎn)生的水平力主要由鋼錨箱自身來(lái)平衡,水平力通過(guò)兩者之間的焊縫傳給N1側(cè)板,所以應(yīng)力比較大,其他部位受力比較均勻,總體應(yīng)力不是很大。

        圖 9 N2、N2a,N2’及N2a’板 Mises應(yīng)力(單位:kPa)

        圖 9 中,鋼錨箱中 N2、N2a 為頂板,N2a′、N2′為底板,不受斜拉索力直接作用,頂板主要受到上面拱塔節(jié)段的壓力作用,底板主要受到下面拱塔節(jié)段的支撐作用,總體受力較小,未出現(xiàn)比較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

        N3板為鋼錨箱支撐板(圖10所示),通過(guò)支撐板將部分鋼錨箱未能自身平衡的斜拉索索力傳給鋼拱塔塔壁,由于未能平衡的力比較小,所以在圖中可以看出,靠近錨墊板和側(cè)板連接處的位置應(yīng)力比較大達(dá)到74 MPa,靠近鋼塔壁位置的應(yīng)力小,同樣N4、N5、N6板都是類似情況,不再贅述。

        圖10 N3板Mises應(yīng)力(單位:kPa)

        圖11 N9板Mises應(yīng)力(單位:kPa)

        圖12 拱肋節(jié)段Mises應(yīng)力(單位:kPa)

        在圖11中,N9板為鋼錨箱承壓板,承壓板受到斜拉索直接作用,包括承壓板與斜拉索之間的預(yù)緊力作用產(chǎn)生了很明顯的應(yīng)力集中,最大應(yīng)力達(dá)到300 MPa,承壓板與側(cè)板以及支撐板連接處應(yīng)力也有增大趨勢(shì),反應(yīng)出鋼錨箱真實(shí)的受力特點(diǎn);圖12中可以看到拱肋的應(yīng)力較小,僅有60 MPa。

        5 結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)對(duì)V形拱塔斜拉橋進(jìn)行整體分析得到最不利荷載下索力,然后運(yùn)用ANSYS對(duì)錨固部分進(jìn)行了計(jì)算,最后得出:

        a)拱塔錨固區(qū)整體受力基本滿足要求,拱塔塔壁承受的應(yīng)力較小,承壓板局部應(yīng)力較大,但是也未超出端面承壓的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(400 MPa)。

        b)鋼錨箱為空間結(jié)構(gòu)體系,受力非常復(fù)雜,在進(jìn)行有限元分析時(shí)對(duì)模型合理簡(jiǎn)化和對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行正確的判斷十分必要。

        c)該橋塔為異型橋塔,索面為空間索面,每個(gè)鋼錨箱的角度都不一樣,鋼錨箱在施工時(shí)應(yīng)精確定位,否則會(huì)造成局部區(qū)域角點(diǎn)應(yīng)力過(guò)大。

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