某自錨式懸索橋鋼箱梁分析的單元模型研究

王 玨

(大連金灣建設集團有限公司，遼寧 大連 116600)

自錨式懸索橋建造困難的主因是在架設主纜之前需要先將橋體結構架立起來[1,2]。1990年建成的330跨度的大阪Konohana橋是世界上首次建造的大跨度自錨式懸索橋，自此以后，世界各地陸續建設了一些大跨度自錨式懸索橋。有限元模型與方法是橋梁分析的重要工具，但需要利用實驗數據對其模型進行校驗。Ochsendorf和Billington[1]采用有限元方法分析了Konohana自錨式懸索橋。Romeijn等[2]利用有限元軟件對自錨式懸索橋進行了參數研究。

本文采用殼單元有限元法[3]和梁格方法[4]研究自錨式懸索橋的鋼箱梁，在梁格方法中分別采用了鐵摩辛柯梁單元和歐拉—貝努力梁單元。采用四個實測結果測試了上述三種有限元模型的有效性。

1 自錨式懸索橋有限元分析模型

某自錨式懸索橋如圖1所示，主跨長157.1 m，其主纜錨于其主梁上，邊跨長86.4 m，其主纜地錨。主塔為矩形截面的變截面鋼筋混凝土獨柱。14排吊索僅布置于主跨。主橋加勁梁為單箱四室的雙鋼箱。針對鋼箱梁，分別采用殼單元、鐵摩辛柯梁單元和歐拉—貝努力梁單元模型。主索和吊桿都采用桁架單元，主塔采用鐵摩辛柯梁單元，所有支撐處的豎向位移都取為固定約束。

2 自錨式懸索橋分析結果

在結構自重情況下，橋面底板Mises應力與實測數據與三種有限元分析模型的計算結果進行對比，以便確定該橋的合理有限元分析模型。

圖2給出的是鋼箱加勁梁底板上Mises應力的計算位置和實測位置的平面圖。實測位置分別位于加勁梁第5號和第8號吊索的上、下游底板位置。

圖3和圖4分別給出了上游底板和下游底板上計算位置的Mises應力對比曲線。由圖3和圖4可見，采用殼單元的Mises應力計算結果與實測值接近，最大相對誤差約為9.5%，相對誤差約為3.0%；采用鐵摩辛柯梁和歐拉—貝努力兩種梁單元的計算結果的誤差大。由圖3和圖4可知，結構自重條件下，三種有限元分析模型的最大Mises應力值均出現于第11號吊桿位置的上游底板和下游底板處；采用殼單元給出的最大Mises應力值為32.7 MPa，采用鐵摩辛柯梁單元給出的最大Mises應力值為39.8 MPa，采用歐拉—貝努力梁單元給出的最大Mises應力值為41.2 MPa。

3 結語

自錨式懸索橋鋼箱梁有限元分析時應采用殼單元。采用鐵摩辛柯梁單元和采用歐拉—貝努力梁單元的梁格模型的計算精度都較差。采用鐵摩辛柯梁單元和采用歐拉—貝努力梁單元的梁格模型計算給出的各吊桿應力結果相近，但明顯不同于采用殼單元計算給出的各吊桿的應力結果。

[1] J.A.Ochsendorf,D.P.Billington.Self-anchored suspension bridges[J].Journal of Bridge Engineering,1999,4(3)：151-156.

[2] A.Romeijn,R.Sarkhosh,D.Goolen.Parametric study on static behaviour of self-anchored suspension bridges[J].International journal of steel structures,2008,8(2):91-108.

[3] S.D.Kulkarni,S.Kapuria.A new discrete Kirchhoff quadrilateral element based on the third-order theory for composite[J].Computational Mechanics,2005,39(5):237-246.

[4] E.C.Hambly,E.Pennells.Grillage analysis applied to cellular bridge decks[J].Struct.Eng.,1975,53(7):267-275.