海上拉索體系結構內力分析

劉盾

（中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094）

1 結構體系及構造特點

拉索塔式海上平臺和斜拉橋是海上拉索體系中的典型代表，拉索體系布置因其關鍵受力部件斜拉索的使用強度高、壽命長、受力均勻、整體結構穩(wěn)定而著名。拉索塔式海上平臺是固定式海上平臺的一種，是一種采用繃繩(或鋼索)與海底的基床相連來固定的海上平臺。豎直的塔形結構自海底豎出海面,頂端是甲板,周邊有繃繩或鋼索向外拉開以固定平臺整體。特點是具有較大的柔性, 作用在這樣結構上的波浪荷載小于同樣海況下的剛性支承結構。斜拉橋方面，以上海某跨海斜拉橋為例，斜拉索采用空間扇形雙索面布置形式，結構外形獨特，索塔錨固按照鋼錨箱的方式，用剪力鍵(剪力釘)將鋼錨箱連接到混凝土塔上，使兩者一起受力。斜拉索的布置顯著增強鋼橋結構耗散能力，從而減小橋體結構受到的沖擊力和造成的非良性位移。[1]

2 有限元仿真

本文以某海上斜拉橋為研究對象，使用一系列具有分部質量和剛度的離散單元來建立三維整體有限元模型，其中斜拉索采用空間桿單元Link10 模擬，該單元只拉不壓，若Link10 受壓，則剛度消失，恰好滿足模擬斜拉索的松弛的需要。同時考慮到拉索本身固有的自重和初始應力，其非線性行為在有限元分析計算中不可忽視，因此依據(jù)等效彈性模量法對斜拉索的彈性模量進行折減運算。

共有192 條斜拉索，取四分之一進行建模則建立需48 條斜拉索。在拉索與梁連接構件索錨的位置依次建立48 個節(jié)點，設置魚骨刺單元材料屬性，并分別連接到主梁的相應位置上，建立魚骨刺單元；在拉索與塔連接構件索錨的位置依次建立48 個節(jié)點，設置魚骨刺單元材料屬性，并分別連接到主塔的相應位置上，建立魚骨刺單元；選擇拉索單元類型，逐個分別設置其材料屬性和實常數(shù)，分別連接到梁上錨索與塔上錨索上，建立拉索單元。

3 車載作用下內力分析

因本次課題采取的簡化建模的方式，將主梁簡化為線形單元，因此無法按照原橋面進行分車道加載，故而將原六車道的車輛數(shù)據(jù)按照上行以下行分為兩類。同時發(fā)現(xiàn)，最小車輛軸距1.3m 相對于原建模時按橫隔板劃分的主梁節(jié)點間距3.72m 相比過小，故需將主梁節(jié)點間距縮小，即劃分更多的節(jié)點，選擇劃分長度擬定為0.1m。

具體操作步驟如下：（1）選擇主梁上非同一橫隔板的相鄰兩個節(jié)點，刪除兩節(jié)點之間原本建立的梁單元模塊，測得兩節(jié)點間距后乘以十并取整，所得數(shù)字則為需要重新劃分建立的節(jié)點數(shù)；（2）在原兩節(jié)點之間填充上述劃分節(jié)點數(shù)，依次連接，重新建立新的主梁單元；（3）重新加載二期恒載。[2]本文將大橋分為17 個載荷步(即16 段)來進行加載，全橋長(1430m)減去最長等效軸距(14m)后，每段長為88.5m，同時將載荷步編號為B1-B17。加載操作如下：（1）從B1 載荷步開始，先刪除上個載荷步(若有)所加載的車輛軸重，選擇所有主梁單元，若上行，則選擇東側主梁，選取x 坐標708m 處開始，每個載荷步向北移動88.5m，下行反之；（2）根據(jù)求出的等效軸距，求得每個軸所在位置，選擇軸處0.3m 范圍內的節(jié)點，得到范圍內節(jié)點數(shù)（一般為三個節(jié)點），每個節(jié)點各加載對應軸等效軸重除以節(jié)點數(shù)；（3）從B1 到B17，每個載荷步都需要進行求解一次，并分別計算每個載荷步梁和塔上x、y、z軸方向上的力和彎矩，以及拉索的軸向力和軸向應力，提取數(shù)據(jù)并保存在文本文件中；（4）A1-A5 五類車輛，結合上下行兩種車道，我們一共建立了10 種疲勞車輛載荷模型，需分別加載計算，故按照順序以上(1)～(3)步需重復10 遍。

由于上行下行共有10 種模型車輛，每種車輛有17 個載荷步，每個載荷步又有對應的梁、塔、拉索的內力數(shù)據(jù)，因而數(shù)據(jù)量較多，在此僅選取上行車輛數(shù)據(jù)并提取拉索內力的最大及最小值。而在車輛作用下引起的疲勞累積損傷而造成斜拉橋主梁的靜力失效，通常是由于關鍵截面彎矩過大而引起的強度失效，故下面只列出部分關鍵點的內力分布，分別選取跨中處和距跨中四分之一橋長處，見表1。

由表1 可以看出，不同模型車輛加載在跨中處和距跨中四分之一橋長處時，拉索內力大致不發(fā)生改變，只有輕微增長，主要因為內力由眾多拉索分擔，平均到每根拉索上的內力變化不大。同時在距跨中四分之一橋長處內力略小于跨中處，這顯然是因為跨中處離塔較遠，受力分析不難發(fā)現(xiàn)此時拉索受力要大于距跨中四分之一橋長處。如圖1、圖2。此外影響拉索內力的因素很多，對于長索，主要影響因素是垂度；對于短索，由于受剛度影響的部分占自身的比例較大，因此抗彎剛度對短索的影響較大。[3]

圖1 1/4 處拉索軸向力和軸向應力

圖2 跨中處拉索軸向力和軸向應力

表1 拉索內力

4 總結與展望

本文以海上拉索建筑-斜拉橋為研究對象，運用有限元分析軟件ANSYS 建立了三維有限元模型，對橋梁進行動力特性及內力分析。

4.1 運用ANSYS 軟件建立完整模型，并劃分有限元分析單元。

4.2 在考慮自重后，計算出二期恒載及車輛荷載數(shù)值，后根據(jù)自重分析確定出車輛恒載所加的相應位置，運用ANSYS 計算獲得拉索的內力及拉索軸向力和軸向應力。

從分析結果中看，在不同模型加載下，拉索內力不發(fā)生較大改變，主要因為內力由眾多拉索分擔，平均到每根拉索上的內力變化不大。本文僅考慮了自重恒載以及汽車荷載的影響，實際中尚需考慮諸如風載荷、潮汐、地震等影響。拉索塔式海上平臺，其鋼索結構特點相比本文研究對象更為復雜，受力情況特殊，可以作為后續(xù)研究的重點研究對象。