自錨式懸索橋索塔橫梁空間網格實體分析

鄭 宇

(沈陽市市政工程設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015)

0 引言

一般橋梁橫梁在進行設計時，通常采用橋梁平面計算軟件進行設計分析，如橋梁博士和MIDAS/Civil等，但是自錨式懸索橋的索塔橫梁本身受力復雜，不僅承擔著主索鞍的反力，還承擔著向下部索塔傳遞內力的作用，是重要的傳力構件，傳統平面計算軟件難以精確模擬如此復雜的邊界條件。

MIDAS/FEA具備MIDAS/Civil的結構分析功能和幾何建模功能、網格劃分功能，并且含有土木結構專用的分析功能，其操作與ANSYS等其他空間計算軟件相比相對簡單，可視化強。因此本文使用MIDAS/FEA對索塔橫梁進行建模計算分析。

1 概況

設計自錨式懸索橋位于遼寧省興城市，在興城市主城區南端、首山路上，橫跨興城河，位于入海口附近，主橋為四跨連續獨塔自錨式懸索橋，跨徑布置為27+100+70+27=224 m。橋梁建成圖如圖1所示。

設計索塔總高66 m，橫向全寬41.5 m，縱向全寬5 m。其橫橋向外輪廓為通過圓曲線擬合而成的曲線，整體與橢圓相似，頂部開孔。內輪廓由橢圓與直線構成，橢圓長半軸34 m，短半軸15.75 m。塔根部至高程13.432 m 區間采用實心截面，塔柱截面在高程13.432 m 之上部分為空心截面，四周側壁厚均為1.2 m。橫梁高度為6 m，橫梁之上部分為裝飾部分，裝飾部分高度為15 m。索塔塔身采用外包鋼殼的鋼筋混凝土結構，外包鋼殼在施工中兼作混凝土澆筑模板用，外包鋼殼內緣設置22×120 mm圓柱頭焊釘，待塔身混凝土澆筑并達到強度后，與塔身鋼筋混凝土部分形成整體共同工作。塔頂橫梁內配置預應力鋼筋，索塔橫梁預應力采用規格為19φs15.20的鋼絞線，鋼絞線抗拉強度標準值fpk=1 860 MPa，公稱直徑d=15.20 mm。單根鋼絞線張拉控制應力σcon=0.75fpk=1 395 MPa。索塔混凝土采用C50混凝土(微膨脹混凝土)，索塔鋼殼主體結構采用Q345D鋼板。

2 計算條件

2.1 計算準備

采用MIDAS/FEA對結構進行模擬?；炷敛捎?節點的實體單元進行模擬，網格劃分采用對實體進行分塊后進行映射網格的方法。這樣劃分的好處是可以控制實體單元的拓撲，使其計算性能較好。預應力鋼筋采用FEA里提供的處理方法，即把預應力鋼筋劃分網格后，程序自動搜索鋼筋影響的實體單元，并在前處理階段在每個實體單元間劃分鋼筋段，程序可以自動考慮把鋼筋段的剛度添加到母單元中，這樣的處理方法稱為植入式鋼筋，并可以考慮預應力損失。

2.2 計算模型

按照橋塔結構尺寸建立實體模型，建模過程中利用MIDAS/FEA中的CAD交互功能，在CAD中建立索塔的三維實體模型，導入到MIDAS/FEA計算模型中，實體模型采用四面體實體模型，人工設置好網格分割規則，由軟件進行自動劃分生成實體網格。塔頂橫梁內預應力鋼束采用鋼筋梁單元模擬，塔身鋼殼采用板單元進行模擬，程序自動與混凝土實體單元耦合。鋼束的兩端錨固于橋塔橫梁，邊界條件模擬采用塔底固結約束。

預應力鋼束分布為在人孔處布設3排15-19鋼束，在無人孔處布設共4排15-19預應力鋼束，模型建立如圖2～圖5所示。

2.3 計算荷載及工況

計算荷載主要包括恒載和活載，以及其他可變作用，主要包括以下內容：

1)橋塔自重，包括索塔混凝土重量和外包鋼殼重量，以及通過主索鞍傳遞的結構自重反力；

2)汽車活載(通過主索鞍傳遞的產生的反力施加)；

3)橋塔基礎變位：±2 mm；

4)橋塔整體升溫29 ℃，整體降溫25 ℃；

5)風荷載，根據公路橋梁抗風設計規范計算。

由于篇幅所限，本文僅列出部分工況結構受力狀態，包括以下兩個工況：

1)工況一：風荷載+升溫+橋塔變位+結構自重+汽車活載。

2)工況二：風荷載+降溫+橋塔變位+結構自重+汽車活載。

3 計算結果

根據模型的計算結果匯總如下：

1)工況一計算結果，如圖6～圖9所示。

工況一：橫梁跨中斷面最大主拉應力為0.513 MPa，最大主壓應力為5.311 MPa。橫梁鋼殼的最大拉應力為4 MPa，最大壓應力為68 MPa。

2)工況二計算結果，如圖10～圖13所示。

工況二：橫梁跨中斷面最大主拉應力為0.367 MPa，最大主壓應力為4.511 MPa。橫梁鋼殼的最大拉應力為28 MPa，最大壓應力為51 MPa。

經過模型計算可知，索塔橫梁按照A類預應力構件進行驗算，橫梁鋼殼按照鋼結構規范進行驗算，應力結果均滿足規范要求，受力狀態良好，達到了設計要求。

4 結語

本文主要介紹了自錨式懸索橋的索塔橫梁設計計算，詳細介紹了索塔橫梁的建模過程，為同類型橫梁計算分析提供了計算參考。通過有限元計算分析，繪制了橫梁的空間應力分布情況，索塔橫梁的混凝土和外包鋼殼受力均滿足要求。

參考文獻:

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