大跨度斜拉橋鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)空間有限元模型比較研究_圖文

1、四川建筑科學(xué)研究Sichuan Building Science 第32卷 第1期2006年2月收稿日期:2004 12 15作者簡介:萬 臻(1977-,女,河南新鄭人,博士研究生,主要從事橋梁結(jié)構(gòu)行為研究、仿真分析及橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、狀態(tài)評估等工作。大跨度斜拉橋鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)空間有限元模型比較研究萬 臻,李 喬,毛學(xué)明(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610031摘 要:在進(jìn)行大跨度斜拉橋鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)空間非線性仿真分析時,有限元模型的正確與否至關(guān)重要。由于目前軟硬件能力的限制,只能采用錨箱局部模型進(jìn)行分析,而模型中選取的結(jié)構(gòu)范圍及邊界條件的不同,都會直接影響錨固區(qū)分析結(jié)果

2、。通過對不同的有限元模型進(jìn)行研究比較,得到合理的建模方法,用以判斷實際結(jié)構(gòu)中索梁錨固區(qū)的安全儲備。這種仿真分析可以用于設(shè)計選型、錨箱研究及指導(dǎo)模型試驗。關(guān)鍵詞:斜拉橋;索梁錨固結(jié)構(gòu);鋼錨箱;有限元分析中圖分類號:T U 311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1008-1933(200601-0026-06Comparison and analysis of 3D finite element models of steel anchor box at the cable girder anchorage zone for long span cable stayed bridgeWAN Zhen,

3、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 anchorage zone for lo ng span

4、 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 method can be gained by compari

5、ng 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;cable girder anchorage;steel anchor bo

6、x;finite element analysis0 前 言大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)中,斜拉索與主梁的連接錨固構(gòu)造是設(shè)計中需考慮的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。由于索梁錨固區(qū)承受強大的索力集中荷載,構(gòu)造及傳力狀態(tài)均較復(fù)雜,應(yīng)結(jié)合理論計算與模型試驗對之進(jìn)行專門的分析研究,才能使人們對錨固區(qū)傳力方式、局部應(yīng)力狀態(tài)等有正確的認(rèn)識。目前,我國新建的幾座大跨度斜拉橋中,主梁形式多采用鋼箱梁結(jié)構(gòu),并在索梁錨固區(qū)的連接方式上采用了鋼錨箱式連接,如南京長江第二大橋以及目前興建的安慶長江公路大橋、蘇通長江公路大橋等。以往的研究表明,鋼錨箱結(jié)構(gòu)板件較多,連接復(fù)雜,但結(jié)構(gòu)剛度大,整體受力好,其傳力途徑主要是通過錨箱錨固頂、底板及承壓板等將

7、索力傳遞給鋼箱梁腹板,因此要求錨箱必須足夠強大,錨箱與腹板的連接要求高,否則,會在腹板上出現(xiàn)嚴(yán)重應(yīng)力集中現(xiàn)象1。通常對鋼錨箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計研究時,可以采用空間有限元進(jìn)行模擬,由于重點研究的是鋼錨箱局部的受力狀況,可以選取實際結(jié)構(gòu)中索力較大的某一代表索梁錨固區(qū)建立局部計算模型。錨箱箱體僅通過與腹板間的焊縫與主梁腹板連接,力與位移的邊界條件簡單,這部分應(yīng)力分布較為容易模擬準(zhǔn)確;但所取出的局部模型的箱梁腹板與整體結(jié)構(gòu)之間的邊界條件則十分復(fù)雜。實橋中腹板不但承受錨箱直接傳遞來的局部剪力、法向力和扭矩,而且還承受由于結(jié)構(gòu)總體變形產(chǎn)生的軸力、剪力、彎矩、翹曲雙力矩和扭矩,模型應(yīng)充分考慮這些影響。通常為簡

8、化計算,取錨箱結(jié)構(gòu)最不利受力狀態(tài),如采用全橋荷載組合工況下所有拉索中的最大索力進(jìn)行加26載,并參照圣維南原理確定模型梁段的長度,該長度應(yīng)保證錨箱附近范圍內(nèi)的腹板應(yīng)力受模擬邊界條件影響較小。本文作者將重點比較索梁錨固段空間有限元分析中,梁段長度及邊界條件的選取對計算模型的影響,從而揭示錨固區(qū)較為真實的局部應(yīng)力分布規(guī)律和索力擴散規(guī)律,判斷錨箱及其附近主梁腹板的安全儲備。1 鋼錨箱基本構(gòu)造及計算模型建立索梁錨固梁段空間有限元模型前,首先要確定鋼錨箱的計算模型,因為錨箱結(jié)構(gòu)相對獨立,為主要受力兼?zhèn)髁C構(gòu)2,錨箱模型的選取合理,那么,傳遞到主梁腹板上的應(yīng)力就較為準(zhǔn)確;其次,考慮所取梁段的邊界條件的影響,

9、使腹板上應(yīng)力分布與實際情況較為接近。鋼錨箱連接板件較多,其主要構(gòu)造包括兩塊錨固板(錨箱頂、底板、錨固板兩側(cè)的加勁板,兩塊錨固板間的加勁板以及承壓板等,如圖1 所示。由于圖1 鋼錨箱結(jié)構(gòu)Fig.1 Steel anchor box錨箱底部處錨墊板和承壓板之間是一種緊密壓貼的關(guān)系,其傳力方式在有限元建模中就要特殊考慮。通過比較多種模型處理方法,如等效板厚方法3、非線性接觸單元方法、實體單元加非線性接觸單元方法等,并結(jié)合已有模型靜載試驗研究,確定計算鋼圖2 有限元離散模型 實體單元加接觸單元Fig.2 Finite element model錨箱的有限元模型采用實體單元加非線性接觸單元方法能夠真實、

10、合理地反映實際錨箱受力情況。該方法可以表述如下:錨箱中各鋼構(gòu)件均可采用空間高階殼單元(主梁中也如此,并考慮材料非線性及幾何非線性;鋼錨箱底部的錨墊板采用實體單元,在錨墊板與承壓板間建立非線性接觸單元來模擬面 面之間的緊密貼合?？臻g有限元離散模型如圖2所示。2 索梁錨固梁段計算模型現(xiàn)以長江某大跨度斜拉橋為研究對象,為確定全橋?qū)嶋H結(jié)構(gòu)中各錨箱及其附近主梁腹板的安全儲備,通常選取索力較大的某一代表索梁錨固區(qū)及附近梁段,建立局部結(jié)構(gòu)計算模型,然后參照圣維南原理確定的梁段合理長度應(yīng)保證錨箱附近范圍內(nèi)的腹板應(yīng)力受模擬邊界條件影響較小。此外,由于該梁段的邊界條件隨施工過程變化而變化,腹板應(yīng)力分布也會隨之改變

11、,因此,分別建立不同梁段長度及邊界條件的空間計算模型,通過比較分析,從而確定較為合理的計算模型,摸索出應(yīng)力真實分布情況。以下各模型梁段均取半斷面為研究對象,梁中線處約束水平橫向位移。2 1 一個索梁錨固梁段、兩端固結(jié)模型(模型1如圖3(a所示,模型1選取錨箱所在的一個梁段長度并兩端均固結(jié)作為邊界條件,由于距錨箱較近的端部采用固結(jié)處理會對錨箱受力變形產(chǎn)生極大約束,這與實際橋梁結(jié)構(gòu)工況相差較大,應(yīng)力分布的 偏差可能較大。圖3 索梁錨固區(qū)各種計算模型Fig.3 Different m odels of steel anchor box atthe cable girder anchorage zon

12、e2 2 一個索梁錨固梁段、懸臂狀態(tài)模型(模型2通過分析模型1計算結(jié)果表明,接近錨箱的梁端部的邊界條件是影響錨箱及附近腹板應(yīng)力分布的主要原因。在斜拉橋施工過程中,該梁段吊裝、斜拉索張拉完畢后,其邊界條件可以用懸臂狀態(tài)進(jìn)行模擬,因此,模型2可以模擬懸臂施工階段錨箱及附近腹板的應(yīng)力分布,如圖3(b所示。272006No.1萬 臻,等:大跨度斜拉橋鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)空間有限元模型比較研究 圖4 焊縫處剪應(yīng)力分布Fig.4 Shear stresses distributing along welding line of topand bottom plane(MPa2 3 兩個索梁錨固梁段、懸臂狀

13、態(tài)模型(模型3在實橋中,一部分索力是施工階段施加的,另一部分是成橋后施加的。當(dāng)斜拉橋主跨合攏后,錨箱后面的梁段是連續(xù)的,基于這種考慮,建立了計算模型3,除考慮錨箱所在梁段外,還考慮錨箱后延長一個梁段的共同作用,邊界條件取懸臂狀態(tài),如圖3(c所示。2 4 兩個索梁錨固梁段、兩端固結(jié)模型(模型4在模型3的基礎(chǔ)上,考慮到成橋后實際結(jié)構(gòu)中相鄰梁段會對錨箱所在梁段產(chǎn)生縱向約束效應(yīng),如圖3(d所示,將梁段兩端均固結(jié),這種近似模擬比實際結(jié)構(gòu)的約束要強一些,屬偏于安全。3 索梁錨固梁段模型計算比較分析3 1 不同模型錨箱焊縫剪應(yīng)力分布比較錨箱作為傳力機構(gòu),主要是通過焊縫上的剪應(yīng)力將索力荷載傳遞到主梁腹板上,因

14、此,焊縫剪應(yīng)力的分布十分重要?，F(xiàn)將各模型錨箱焊縫等分成20段,將各對應(yīng)等分點剪應(yīng)力合力計算結(jié)果列于表1,可以近似模擬焊縫上剪應(yīng)力之和的規(guī)律;圖4為頂、底板焊縫各等分點處剪應(yīng)力分布之比較,圖中橫坐標(biāo)為從錨箱承壓板起沿焊縫方向的距離(m,豎坐標(biāo)為剪應(yīng)力(M Pa,該圖代表由錨箱向腹板傳遞剪力的分布規(guī)律。表1 錨箱頂、底焊縫上各等分點剪應(yīng)力之和Table 1 The sum of points shear -stresses along weldingline of steel anchor box /M Pa模型1模型2模型3模型4頂板焊縫各等分點剪應(yīng)力之和底板焊縫各等分點剪應(yīng)力之和102.934

15、33.99375.31367. 85圖5 不同模型腹板主拉應(yīng)力分布Fig.5 Principal tensile stress distributing of different models (kPa28四川建筑科學(xué)研究第32卷從表1中明顯看出,模型1的錨箱頂?shù)装搴缚p沒有起到主要傳力作用,絕大部分剪力是通過承壓板傳遞的,這與試驗情況相差較遠(yuǎn),此模型不可行。下面主要比較其它3個模型,可以看到:(1剪應(yīng)力沿焊縫變化趨勢一致,均為兩端較大,中間較小且平緩。需要指出的是,錨板頂端由于模型單元的處理,會出現(xiàn)應(yīng)力奇異點;此外,在中間平緩段中的小突起,是由于腹板背面布置了橫隔板,其作用在底板焊縫上較為明顯

16、。(2在承壓板附近,各模型中均反映了頂板焊縫的剪應(yīng)力較底板大,且模型4計算結(jié)果描繪出應(yīng)力值上限,頂板附近最大約為52M Pa,底板附近最大約為30M Pa 。(3在錨板頂端(遠(yuǎn)離承壓板的一端附近,除端點外,底板焊縫剪應(yīng)力略大于頂板,且模型2計算結(jié)果描述了該處應(yīng)力值的上限,均在72M Pa 之內(nèi)。(4此外,計算結(jié)果還顯示了各模型錨箱上的應(yīng)力分布大體相同。說明錨箱受到選取梁段的約束條件影響較小,只要保證錨箱模型各構(gòu)件連接方式與實際結(jié)構(gòu)相同,計算結(jié)果就能真實地反映錨箱的應(yīng)力分布情況。3 2 不同模型腹板應(yīng)力分布比較幾種模型的計算結(jié)果都顯示,錨箱附近腹板的應(yīng)力分布沿錨板焊縫也呈現(xiàn)兩端小區(qū)域內(nèi)應(yīng)力較大,

17、中間大范圍內(nèi)應(yīng)力較小且分布均勻,大致均在2050MPa 范圍內(nèi)的一種趨勢。因此,重點只比較各模型腹板應(yīng)力在錨箱承壓板附近及錨板頂端附近區(qū)域的分布。3 2 1 不同模型腹板主拉應(yīng)力分布比較為便于比較各模型計算結(jié)果,除用等值線描述主拉應(yīng)力分布情況外,還將承壓板外側(cè)、錨板頂端附近較大主拉應(yīng)力的數(shù)值及出現(xiàn)位置示于圖5中,可以看出 :圖6 不同模型腹板主壓應(yīng)力分布Fig.6 Principal pressure stress distributing of dif ferent models (kPa292006No.1萬 臻,等:大跨度斜拉橋鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)空間有限元模型比較研究(1錨箱附近的腹板

18、上,承壓板外側(cè)區(qū)域為高拉應(yīng)力區(qū),范圍小且比較集中,最大應(yīng)力值基本出現(xiàn)在承壓板外側(cè)中心附近,隨后向兩邊逐漸減小,并向遠(yuǎn)離承壓板方向迅速擴散,減小至2550M Pa,直到錨板頂端附近,主拉應(yīng)力也較小。(2模型2為懸臂結(jié)構(gòu),主梁隨錨箱變形而產(chǎn)生變形,承壓板后主拉應(yīng)力值相對較小,最大為155M Pa;模型3由于延長考慮了一個梁段,其延長梁段的自重對錨箱變形產(chǎn)生一定影響,所以,承壓板后主拉應(yīng)力較模型2計算值大,最大為186M Pa;模型4受到縱向面內(nèi)約束,其計算局部區(qū)域最大達(dá)到215M Pa,比模型2要大30%左右。此外,承壓板與腹板焊縫處的主拉應(yīng)力,模型4也較模型2高約18%左右。3 2 2 不同模型

19、腹板主壓應(yīng)力分布比較同樣,用等值線描述腹板主壓應(yīng)力分布情況外,也將承壓板內(nèi)側(cè)、錨板頂端附近較大主壓應(yīng)力的數(shù)值及出現(xiàn)位置示于圖6中,從圖中可以看出:(1錨箱附近的腹板上,承壓板內(nèi)側(cè)區(qū)域為大應(yīng)力受壓區(qū),范圍也很小且集中,最大應(yīng)力值基本出現(xiàn)在承壓板內(nèi)側(cè)中心附近,隨后向遠(yuǎn)離承壓板方向迅速擴散,減小至-25-50M Pa,直到錨板頂端附近后,應(yīng)力值又迅速增大。(2由于前述的約束作用,主壓應(yīng)力計算結(jié)果為模型2最大,模型4最小,承壓板內(nèi)側(cè)附近各模型計算結(jié)果較為接近,模型2最大值為-156MPa,模型4最大值為-141M Pa;但在錨板頂端附近計算結(jié)果相差較大,模型2最大值達(dá)到-206MPa;而模型4最大值僅

20、為-72MPa 。3 2 3 不同模型腹板M ises 等效應(yīng)力分布比較圖7中同樣用等值線描述腹板Mises 等效應(yīng)力分布情況,也標(biāo)示了承壓板內(nèi)、外側(cè)及錨板頂端附近較大等效應(yīng)力的數(shù)值及出現(xiàn)位置,可以看出 :圖7 不同模型腹板等效應(yīng)力分布Fig.7 Mises stress distributing of dif ferent models (kPa(1等效應(yīng)力分布即綜合反映了腹板上各處被拉或壓應(yīng)力所控制的情況,其趨勢也近似:在承壓板內(nèi)、外側(cè)等效應(yīng)力值均較大,但范圍很小且集中,最大應(yīng)力基本出現(xiàn)在承壓板中心附近處,隨后向四周30四川建筑科學(xué)研究第32卷2006 No. 1 萬 臻, 等: 大跨度斜

21、拉橋 鋼錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)空間有限元模型比較研究 31 遠(yuǎn)離承壓板方向迅速擴散, 減小至 25 50M Pa, 直 到錨板頂端附近后, 應(yīng)力值又迅速增大。 ( 2 不同模型計算結(jié)果中, 承壓板內(nèi)側(cè)等效應(yīng)力 較接近, 最大應(yīng)力值在 126 138 M Pa 之間, 區(qū)別最 大的地方就在于承壓板外側(cè)及錨板頂端附近。模型 2 計算結(jié)果描述了錨板頂端附近等效應(yīng)力值的上限 211 M Pa( 實際結(jié)構(gòu)中遠(yuǎn)小于此值 ; 模型 4 計 算結(jié)果則描述了承壓板外側(cè)等效應(yīng)力值的上限 193 MPa。 外, 其余 3 種模型計算結(jié)果均可作為設(shè)計的初步參 考。應(yīng)力分布在錨箱焊縫中部區(qū)域分布較為一致、 平緩, 且均保持在 25 50MP a; 但在承壓板外側(cè)及 錨板頂端附近處應(yīng)力值差別較大。 ( 3 判斷實際結(jié)構(gòu)中索梁錨固區(qū)的安全儲備, 應(yīng) 選取模型 2 和模型 4 共同進(jìn)行分析。通過設(shè)計資料 可知, 索力大部分作用在施工階段, 與模型 2 情況接 近; 小部分作用在成橋階段, 與模型 4 情況接近。應(yīng) 該分別計算兩種情況的應(yīng)力, 然后再疊加, 即可得到 實際應(yīng)力, 從而描繪出腹板上不同區(qū)域的應(yīng)力分布。 這種方法可用于今后的初步設(shè)計、 錨箱研究及指導(dǎo) 模型試驗。 參 考 文 獻(xiàn): 1 陳開利譯. 大跨度斜拉橋斜拉索錨固結(jié)構(gòu)的試驗研