郭安娜

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430063)

斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)是將主梁自重和主梁承受的外荷載傳遞給斜拉索的重要受力部件[1]。目前國(guó)內(nèi)運(yùn)用最為廣泛的2種索梁錨固形式是錨拉板式和鋼錨箱式[2-4]。下面以這2種形式結(jié)合工程實(shí)例對(duì)斜拉橋中索梁錨固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析展開(kāi)介紹。

1 參數(shù)化設(shè)計(jì)

索梁錨固結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一種空間結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1、圖2)，其構(gòu)造受斜拉索與順橋向橋面夾角α和斜拉索與橋面板橫橋向夾角β的控制，其中α變化范圍較大，β變化范圍較小，兩者均與斜拉索順橋向布置、錨固腹板傾斜角度和橋塔外形等相關(guān)。復(fù)雜的空間角度使得每根索對(duì)應(yīng)的錨固結(jié)構(gòu)中各種板件尺寸都不一樣。如果基于AutoCAD軟件對(duì)每一個(gè)錨固結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，重復(fù)性高，效率低。本文借助于三維機(jī)械CAD軟件SolidWorks，實(shí)現(xiàn)三維參數(shù)化設(shè)計(jì)[5]。

圖1 泉州灣跨海大橋錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)

圖2 楊泗港快速通道青菱段斜拉橋鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)

首先繪制裝配體草圖，定義結(jié)構(gòu)的控制參數(shù)；然后以繪制的草圖為截面，通過(guò)實(shí)體特征命令構(gòu)建三維模型；最后從三維模型中自動(dòng)產(chǎn)生工程圖。當(dāng)修改參數(shù)時(shí)，三維模型和工程圖實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更新，幫助設(shè)計(jì)人員完成參數(shù)化可視化驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。

給出2種工程實(shí)例中索梁錨固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程，一種是泉州灣跨海大橋采用的錨拉板索梁錨固形式，該橋采用70 m+130 m+400 m+130 m+70m雙塔雙索面鋼-混結(jié)合梁斜拉橋，全橋共72對(duì)斜拉索，梁上標(biāo)準(zhǔn)間距10.5 m，α角變化范圍27.87°～77.61°，β角變化范圍89.25°～92.72°，最大索力6 846 kN，錨拉板式連接是將主梁邊腹板穿過(guò)頂板，與錨拉板焊接，錨拉板中部設(shè)承壓板增加錨固結(jié)構(gòu)的橫向剛度和整體性；另一種是楊泗港快速通道青菱段40 m+88 m+252 m+88 m+40 m雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋采用的鋼錨箱索梁錨固形式，全橋共36對(duì)索，梁上標(biāo)準(zhǔn)間距12 m，α角變化范圍28.12°～52.62°，β角變化范圍84.65°～89.00°，最大索力7 767 kN，鋼錨箱錨固結(jié)構(gòu)組成主要包括錨墊板、承壓板、連接主梁與錨箱底板的錨固板及焊接于錨固板和承壓板上的各類(lèi)加勁板，這些板類(lèi)結(jié)構(gòu)共同形成一個(gè)比較穩(wěn)定的箱式結(jié)構(gòu)。

圖3、圖4給出了2種不同形式的SolidWorks簡(jiǎn)化模型，通過(guò)驅(qū)動(dòng)不同角度下的控制參數(shù)，可以完成三維模型、工程圖和材料用量的自動(dòng)更新，實(shí)現(xiàn)索梁錨固結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)。從結(jié)構(gòu)構(gòu)造來(lái)看，索梁鋼錨箱錨固形式板件較多、構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜；錨拉板結(jié)構(gòu)板件較少、構(gòu)造簡(jiǎn)潔。

圖3 鋼錨箱SolidWorks模型

圖4 錨拉板SolidWorks模型

2 有限元模型

完成參數(shù)化設(shè)計(jì)后，需重點(diǎn)分析結(jié)構(gòu)的傳力機(jī)理和受力特點(diǎn)。要進(jìn)行精細(xì)化的局部應(yīng)力分析，還需要借助專(zhuān)業(yè)有限元通用軟件ANSYS。這里將SolidWorks軟件和ANSYS軟件結(jié)合起來(lái)[6-7]，SolidWorks快速精準(zhǔn)參數(shù)化建模的特點(diǎn)解決了ANSYS建模能力的不足。

對(duì)鋼主梁的斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時(shí)，采用實(shí)體單元模擬錨固結(jié)構(gòu)中的錨墊板，板殼單元模擬鋼主梁和錨固結(jié)構(gòu)其他構(gòu)件。所以在進(jìn)行有限元分析前，先借助ANSYSY SCDM工具將索梁錨固結(jié)構(gòu)的SlidWorks實(shí)體模型進(jìn)行中面模型的抽取，并相應(yīng)保存為SAT文件，導(dǎo)入到ANSYS軟件，對(duì)模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，隨后進(jìn)行有限元分析。為減小邊界條件對(duì)錨固區(qū)的影響，取錨固結(jié)構(gòu)所在區(qū)域的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)梁段進(jìn)行分析，主梁梁端采用固定約束，索力轉(zhuǎn)化為壓力形式作用于錨墊板承壓面，有限元簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)ANSYS模型

圖6 錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)ANSYS模型

3 結(jié)構(gòu)的受力分析及對(duì)比

以楊泗港斜拉橋采用的索梁錨固形式為例，進(jìn)行有限元分析，從圖7、圖8結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力云圖來(lái)看，鋼錨箱索梁錨固結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理為：索力以面荷載形式施加于錨墊板，錨墊板以端面承壓形式傳遞給承壓板，承壓板將力分別傳遞給錨固板和腹板；錨固板上的力通過(guò)其與腹板間的熔透焊縫受剪傳遞給腹板；腹板上的力通過(guò)橫隔板、頂板和底板，傳遞擴(kuò)散給整個(gè)主梁。表1列出這種結(jié)構(gòu)各構(gòu)件最大應(yīng)力值及其出現(xiàn)的位置，觀察發(fā)現(xiàn)，在承壓板和錨固板與腹板的焊縫處容易出現(xiàn)較高應(yīng)力，顯示最大Von Mises應(yīng)力為322.46 MPa，出現(xiàn)在錨墊板和承壓板焊縫頂部位置，大部分區(qū)域應(yīng)力值小于200 MPa。

圖7 鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力云圖一(單位：kPa)

圖8 鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力云圖二(單位：kPa)

構(gòu)件最大Von Mises應(yīng)力/MPa對(duì)應(yīng)位置錨固板148.4錨固板與主梁腹板焊縫頂端加勁板184.5加勁板與承壓板焊接處承壓板208.7與主梁腹板焊縫處錨墊板322.5與承壓板焊縫頂部位置(應(yīng)力集中點(diǎn))

以泉州灣跨海大橋采用的索梁錨固形式為例，結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力云圖見(jiàn)圖9、圖10，由圖可見(jiàn)錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)，索力以面荷載形式施加于錨墊板，錨墊板以端面承壓形式傳遞給錨拉管，錨拉管通過(guò)其與錨拉板間的熔透焊縫傳遞到錨拉板，再由錨拉板與鋼主梁腹板間對(duì)接焊縫直接傳遞到腹板，腹板上的力通過(guò)橫隔板、頂板和底板，傳遞擴(kuò)散給整個(gè)主梁。表2列出這種結(jié)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件最大應(yīng)力值和出現(xiàn)的位置，應(yīng)力較多地集中在錨拉板中間部分，錨拉板與錨拉管焊縫連接區(qū)域下端(錨拉板開(kāi)孔上圓角)出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，達(dá)到448.2 MPa，但在很小區(qū)域內(nèi)應(yīng)力水平迅速擴(kuò)散下降，大部分區(qū)域應(yīng)力值小于230 MPa。

圖9 錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力云圖一(單位：kPa)

圖10 錨拉板式索梁錨固結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力云圖二(單位：kPa)

構(gòu)件最大Von Mises應(yīng)力/MPa對(duì)應(yīng)位置錨拉板N1466.8 錨拉板開(kāi)孔上圓角(即錨拉板與錨拉管焊縫下端)承壓板N3131.0與錨拉板焊縫末端錨墊板N2344.5錨墊板承壓面圓孔周緣錨拉管N6363.0與錨墊板焊接位置上套筒N799.7與上圓板接觸面的內(nèi)圓環(huán)處上圓板N497.2與錨拉管接觸面的內(nèi)圓環(huán)處加勁板N5122.8與上套筒焊接下端

通過(guò)比較2種常見(jiàn)索梁錨固形式的受力機(jī)理，可以看出錨拉板結(jié)構(gòu)傳力簡(jiǎn)潔，總體應(yīng)力水平合理，但錨拉板與錨拉管間焊縫、錨拉板開(kāi)槽的上圓角處出現(xiàn)了嚴(yán)重的應(yīng)力集中，應(yīng)力水平超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度，出現(xiàn)了小范圍塑性區(qū)；索梁鋼錨箱結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布均勻、受力狀態(tài)良好、傳力均勻可靠，只有錨箱與縱腹板連接焊縫的端部等局部小范圍區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中，但應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度。

4 結(jié)論

1) 針對(duì)斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)中2種常見(jiàn)的鋼錨箱式和錨拉板式構(gòu)造，借助SolidWorks軟件進(jìn)行實(shí)體建模，完成了三維參數(shù)化可視驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，相對(duì)二維設(shè)計(jì)更加高效精準(zhǔn)。

2) 在索梁錨固結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析中，通過(guò)將SolidWorks建模和ANSYS分析有效結(jié)合，提高了建模效率和質(zhì)量，簡(jiǎn)化了有限元分析工作。

3) 結(jié)合工程實(shí)例，通過(guò)三維參數(shù)化建模和有限元分析，總結(jié)比較了鋼錨箱式和錨拉板式2種常見(jiàn)索梁錨固形式的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、受力特點(diǎn)和傳力機(jī)理，可為斜拉索索梁錨固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析提供參考。

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