索梁锚固区（共4篇）
索梁锚固区 篇1
0前言
斜拉桥在世界范围内的应用从20世纪70年代开始, 20世纪90年代迅速发展, 其跨径已经进入以前悬索桥适用的特大跨径范围[1]。从1975年, 我国第一座斜拉桥———云阳桥建成以来, 国内已经相继建成大小80余座斜拉体系的桥梁结构, 其中混凝土斜拉桥有30多座, 已建成的混凝土斜拉桥有济南黄河大桥、武汉长江二桥、重庆大佛寺长江大桥等, 其中有约2/3采用双索面的形式。
斜拉索的索力斜向并集中地作用于斜拉桥的混凝土梁的锚固点上, 斜拉索的锚固结构必须能顺畅地将索力传递给主梁, 因此斜拉索的锚固结构是斜拉桥的关键部位, 斜拉索锚固的可靠与否直接关系到整个大桥的安全度, 有必要对索梁锚固区进行专门的研究[2], 黄永、周贤文等[3,4]对混凝土梁斜拉桥做过相关研究。混凝土梁的斜拉索的锚固方式有顶板设置锚固块、箱梁内设横隔板锚固块、在箱梁内设斜隔板锚固块、在梁体两侧设锚固块、在底板设置锚固块五种[5]。在混凝土梁体两侧设锚固块是双索面斜拉桥普遍采用的锚固构造, 曹新垒[6]等对此类结构进行过有限元分析。
索梁锚固构造是混凝土梁斜拉桥受力分析的关键部位。混凝土梁体两侧设锚固块是双索面斜拉桥普遍采用的锚固构造, 当双索面斜拉桥主梁截面悬臂较长时, 需要设置悬臂式索梁锚固结构。但目前的索梁锚固结构, 主要采用了把斜拉索锚在腹板上或者加厚边肋上的形式, 对悬臂式的研究较少。
1 模型的建立
1.1 实体模型的建立
某斜拉桥的主梁是预应力混凝土结构, 如图1所示, 主桥为83+140+83 (m) , 双塔三跨, 主桥跨度为306 m。主梁采用单箱三室截面形式 (见图2) , 纵桥向上截面按二次抛物线变化, 梁高最大为4.80 m, 最小2.80 m, 梁宽在33.9~35.3 m之间。全桥拉索共56根且成对称布置, 拉索采用双索面布置, 索距有8 m和6 m两种布置形式, 索梁锚固形式采用在箱梁两侧设锚固块。
在Midas FEA中采用3D实体单元模拟C55混凝土结构, 考虑混凝土的10 000天的收缩徐变, 锚垫板选用板单元模拟, 钢筋用线单元模拟。各种材料具体参数见表1。为了提高计算效率, 模型的横桥向宽度取截面宽度的一半, 纵桥向上选取足够长度, 总长16 m, 模型整体视图见图3。
为了对局部应力集中结果的影响因素进行探究, 本文建立三个不同的模型 (见图4) 。三个模型的区别:模型1中锚块和顶板连接部位是直角连接的形式;模型2中锚块与顶板连接部位采用20×20 (cm) 的倒角;模型3中锚块和顶板连接部位采用45°斜角, 三个模型的其他方面相同。
通过建模计算分析发现混凝土锚块的两个区域应力集中现象较为明显, 拉应力值较大。一个区域是锚块的外侧和顶板连接的区域, 称作区域A, 另一个区域是锚块的下缘和斜腹板连接的区域, 称作区域B, 详见图4。
顶板横向预应力钢筋采用3φs15.2钢绞线, 间距为50cm。腹板竖向预应力钢筋采用JL25的精轧螺纹钢, 间距50cm。底板预应力钢筋采用四束上下布置的钢绞线, 布置在横隔板和底板的连接位置, 其中两束底板预应力钢筋弯起通过斜腹板, 最后锚固于锚块的外侧。弯起的两束底板预应力钢筋规格是12φs15.2, 另外两束不弯起的底板预应力钢筋采用的16φs15.2的钢绞线。预应力有两种不同的布置方式 (图5) , 两种预应力布置方式所不同的是预应力布置二中两束顶板横向预应力钢筋 (5φs15.2) 沿顶板下缘穿过锚块 (图5 (b) ) 。
1.2 边界条件的选取
在箱梁靠近塔的横截面的中心建立一个主节点, 并与该截面上的所有网格节点刚臂连结, 然后约束主节点的顺桥向和竖向的平动, 同时约束绕横桥向和竖向的转动。在箱梁远离塔的横截面上以同样的形式建立主节点和其他网格节点以同样的刚臂的形式连接, 只约束该主节点绕竖向的转动。在模型的横向对称截面上, 约束该面上的每个节点的横桥向的平动。
1.3 加载方法及工况
作用到模型上的外力包括拉索传来的索力, 相邻索梁锚固段传来的弯矩、剪力、轴力, 以及结构自重, 考虑到车辆荷载对结构受力有利, 不考虑车辆荷载对结构的作用力。相邻梁段施加到分析索段上的内力通过桥梁的整体分析得出, 只考虑远塔端梁段传递的内力, 加载的方法和边界条件的选取相似, 同样是在箱梁靠近塔端的横截面的中心建立一个节点, 以这个节点为主节点, 和该截面上的所有网格节点以约束六个自由度的刚臂连接, 将表2中所列的轴力、剪力、弯矩值施加到该主节点上。
加载工况下分以下两种:工况一:自重+索力+梁端内力 (轴力、剪力和弯矩) ;工况二:工况一+顶板横向预应力+腹板竖向预应力+底板预应力。
注:X、Y、Z是指模型整体坐标系方向;X是横桥向, Y是顺桥向, Z是竖向。
2 计算结果
2.1 顶板、底板应力分布
顶板和底板顺桥向、横桥向全部受压, 完全满足全预应力构件的受力要求。工况一和工况二的结果比较, 横桥向的拉应力减小并出现较大压应力, 这是由于顶板和底板内横向分布的预应力钢筋能有效地提供预压力, 很好地提高了顶板和底板的抗开裂能力。三种模型的区别只是锚块形状不同, 不会对顶板和底板的应力分布产生影响, 采用模型三的顶板、底板的应力分布作为代表值, 列于表3。
/MPa
2.2 锚块形式对应力分布的影响
通过计算结果比较, 不同锚块形式对区域A的应力分布影响较大, 将区域A的应力分布最不利取值列于表4。
/MPa
锚块区域A的横向和竖向的拉应力的大小和锚块的形状有很大的关系。在工况二的作用下, 锚块中区域A的竖向应力随锚块形式的变化差别很大。模型3的竖向应力值明显小于模型1。由此可以看出, 设置倒角尤其是设置斜角, 能够明显降低区域A的竖向应力。然而工况二作用下, 模型3中区域A的横桥向应力反而大于模型1。究其原因, 本来沿竖向传递的力, 由于斜角的设置变成沿斜向传递, 故竖向应力减小, 横向应力增大。
锚块中应力分布和锚块的结构形式有很大的关系, 锚块的结构形式的变化使得局部区域的受力机理发生了变化。从计算结果来看, 三种模型中模型3设置45°斜角的形式的应力分布较为合理。在进行局部结构设计时, 通过改变锚块的局部结构可以有效的改善应力集中现象。
2.3 预应力钢筋布置形式对应力分布的影响
两种预应力布置 (图5) 形式对三种模型的应力分布的影响产生了大致相同的变化趋势, 以模型3为例进行说明。表5列出了模型3中两种不同预应力布置下中区域A和区域B的应力值大小。
/MPa
在悬臂式索梁锚固结构中, 预应力的布置方式也会对锚块的局部应力分布产生较大的影响。本文中顶板横向预应力钢筋下移并穿过锚块 (图5 (b) ) 的方法有效地减小了区域A和区域B的局部较大的拉应力, 使得局部应力集中现象得到明显的改善。在悬臂式的索梁锚固结构的设计中, 合理地布置预应力钢筋位置和数量是一种降低局部拉应力, 改善局部应力集中的有效方法。
3 结论
本文对斜拉桥悬臂式索梁锚固段建立有限元模型进行局部受力分析, 分析了三种不同的模型分别在两种工况下的应力分布规律, 得出了以下结论:
1) 本论文选取的边界条件能够比较合理的模拟索梁锚固梁段的约束方式, 可作同类结构分析时参考。
2) 在拉应力较大区域和方向上配置足够数量的预应力钢筋可以有效的降低或者抵消结构中产生的拉应力, 可以很好的避免混凝土因过大的拉应力而开裂。
3) 锚块的应力分布和锚块的结构形式有很大的关系, 锚块的结构形式的变化使得局部区域的受力机理发生了变化。改变锚块的局部结构可以有效的改善应力集中现象。
4) 合理的布置预应力钢筋位置和数量可以有效的降低局部拉应力, 从而改善局部结构的应力集中现象。
参考文献
[1]刘士林, 梁智涛, 侯金龙, 等.斜拉桥[M].北京.人民交通出版社, 2002.
[2]熊刚, 丁雪松, 谢斌.大跨度钢箱梁斜拉桥索梁锚固结构的发展与应用[J].预应力技术, 2009 (1) .
[3]黄勇, 程晓东, 曾进忠.斜拉桥索梁锚固区受力情况的三维有限元分析[J].桥梁建设, 2005 (S1) .
[4]周贤文.斜拉桥拉索锚固区受力性能研究[J].公路交通科技:应用技术版, 2009 (6) .
[5]彭大文.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社, 2007.
[6]曹新垒, 杨成斌, 郝翠.斜拉桥双边箱主梁空间应力分析[J].安徽建筑工业学院学报:自然科学版, 2010 (1) .
斜拉桥索梁锚固区受力性能分析 篇2
斜拉索强大的索力斜向并集中地作用于斜拉桥的主梁锚固点,斜拉索的锚固结构必须能顺畅地将索力传递给主梁,因此斜拉索的锚固结构是斜拉桥的关键部位,斜拉索锚固的可靠与否直接关系到整个大桥的安全度。
1 斜拉索与钢梁的错固型式及工程实例
斜拉索与钢梁的锚固型式有:散索鞍座加锚固梁、锚箱式、支架或牛腿、锚管式、耳板式、锚拉板式。其中锚拉板式具有结构简单、受力明确、施工简单、便于加工、易于维护等优点,近年来在国内外各斜拉桥都常见此种索梁锚固方式。锚拉板连接是将钢板作为锚拉板,直接焊接在钢主梁上缘顶板上,锚拉板由上、中、下三部分组成,锚拉板上部开槽,槽口内侧焊于锚管外侧,斜拉索穿过锚管并用锚具锚固在锚管底部;锚拉板下部直接用焊缝与主梁上翼板焊接;锚拉板中部除了满足安装锚具的空间需要之外,还需连接上、下两部分。为了补偿开槽部分对锚拉板截面的削弱,以及增强其横向刚度与整体性,锚拉板的两侧焊接加劲板。另外,为确保索力均匀地传给主梁,与锚拉板连接区域的主梁上翼板加厚,钢主梁腹板增设加劲板。
某大桥是一座特大型斜拉桥,桥梁全长1818.96m,主梁采用工字形钢梁,主梁中心间距34m,中间设3道小纵梁,横梁间距3.4m。斜拉索在主梁上的锚固采用锚拉板形式,主梁上锚点间距12m。主桥采用双塔双索面,H形索塔。
2 有限元计算分析
锚拉板作为斜拉索与钢主梁连接的主要受力构件,是全桥的主要受力点,锚固区域受力集中、结构复杂,是控制设计的关键部位。索梁锚固区受力十分复杂,对其纯理论上的应力应变分析几乎是不可能的,甚至对局部构件的应力应变分布特征进行理论上的判断有时也相当困难,这就要求进行力学模型试验。同时,现代电子技术的发展日新月异,各专业应用程序的开发层出不穷,这就为应用有限元技术分析复杂的受力结构提供了条件。为了弥补模型试验随机性大、成本高、周期长的欠缺,使试验与数值分析相结合,利用有限元分析软件ANSYS对斜拉桥锚拉板式索梁锚固结构空间受力性能进行分析,并与试验结果进行比较,探索索梁锚固区的索力传递机理、应力分布状况。
2.1 有限元模型的建立
(1)钢材料非线性特性及应力一应变关系的确定。
求解塑性问题的困难主要来自应力一应变关系的复杂性。为了使求解塑性问题成为可能,除了对材料的塑性行为作必要的假定之外,还需要对应力一应变关系曲线加以理想化,也就是根据不同的问题对实际材料特性作不同的简化。常用的有以下一些简化模型:理想弹性、理想刚塑性、刚线性强化、理想弹塑性、弹一线性强化。为了考虑钢材的强化特性和使非线性求解不致发生困难并综合已有的狡算经验,本文选取弹一线性强化模型,考虑1%强化。
(2)强化模式的确定。
众所周知,材料的后继屈服应力一般将随塑性应变的增加而增加。同时,一个方向上后继屈服应力的这种变化(强化),将会引起相反方向上后继屈服应力的变化(强化或弱化)。这是一个很复杂的问题,为了数学上处理的方便,当前经常采用的简化模型有以下几种:等向强化模型,随动强化模型、组合强化模型。为了克服随动强化模型将包兴格效应绝对化的缺点,更合理地反映材料的真实特性,可以将上述两个模型组合起来而形成组合强化模型,如图1所示,本文选取组合强化模型。
2.2 非线性方程组的求解
在非线性有限元分析中,不论几何非线性、材料非线性,还是边界条件非线性,最后都归结于非线性方程组的求解。本文采用ANSYS程序提供的方法,ANSYS程序提供了多种求解方法可供选择,并且还有一系列措施来增强收敛性,程序通过使用NEWTON-RAPHSON平衡迭代克服纯粹增量式求解的误差积累缺点,它强迫在每一个荷载增量的末端解达到平衡收敛。在每一次求解前,先估算出残差矢量(对应于单元应力的荷载和所加载的荷载的差值),然后用非平衡荷载进行线性求解,且检查收敛性。如果不满足收敛准则,重新估算非平衡荷载,修改刚度矩阵,得到新解,直到收敛。在N-R方法中,程序提供了三种选择:完全NEWTON-RAPHSON方法、修正NEWTON-RAPHSON方法和等刚度迭代法。
在与时间无关的结构分析中,程序利用时间步及荷载步来与荷载对应。在本文求解中,为了对加载过程实施较为全面的控制,将荷载分成若干个子步,每个子步最多允许500次迭代。如果结构的行为从线性变化到非线性,或者想要在系统响应的非线性部分变化时间步长,可以激活自动时间步长,程序将根据需要自动调整时间步长,获得精度与代价之间的良好平衡。正是由于采用了自动时间步长,本计算过程大大缩短,但同时带来的问题是,出现了较大的子步,使子步之间的计算结果无法获取。
2.3 选取的单元类型
斜拉桥钢梁类似薄壁结构,用壳单元来模拟。本文选取ANSYS单元库中的SHELL181单元。该单元模拟薄壳及中等厚度的壳结构具有较高的精度。SHELL181单元有4个节点,每个节点具有6个自由度,分别是UX、UY、UZ、ROTX、ROTY和ROTZ,如图2所示。
荷载均匀施加到锚筒底圆周上,荷载方向为锚筒轴向,加载力为Fmax=1150kN。锚拉板有限元计算模型网格划分采取自由网格划分方法,单元采用四边形,为适应曲边界采取局部网格加密[1,2,3]。
3 结论
(1)通过有限元计算分析和应力实测表明,最大主拉应力出现在锚拉板与锚拉筒的连接圆弧处,此处存在明显应力集中。
(2)锚拉板下部与桥面板的焊缝连接区总体应力水平较低。
(3)有限元方法的作用是:对结构进行受力分析,在设计或施工前预知结构的危险区段,预测结构的大概破坏情况,从而采取相应的措施解决。
摘要：斜拉桥索梁锚固区受力性能复杂，锚拉板作为斜拉索与钢主梁连接的主要受力构件，是全桥控制设计的关键部位。本文对斜拉桥锚拉板式索梁锚固结构空间受力性能进行数值分析，得出了一些有价值的结论，为今后类似工作提供了理论依据。
关键词：斜拉桥,索梁锚固,锚拉板,受力性能,数值分析
参考文献
[1]侯文崎，叶梅新．结构梁斜拉桥锚拉板结构研究[J]．钢结构，2002，17(2)：23-27．
[2]潘慧敏，李小珍．某斜拉桥索梁锚固结构有限元分析[J]．四川建筑，2006，26(1)：99-100．
索梁锚固区 篇3
索梁锚固结构的作用是将集中作用于其上的巨大拉索索力可靠顺畅地传递给主梁截面。设计时应当使力线流畅,防止出现过大的应力集中,否则在长期的动、静载作用下,可能发生疲劳或强度破坏。因此,作为斜拉桥的关键部位,索梁锚固结构的可靠与否直接关系到整座大桥的安全[1]。
目前,大跨度钢斜拉桥常见的索梁锚固形式主要有以下四种[2]:1)耳板式(销铰式)连接;2)锚管式连接;3)锚拉板连接;4)锚箱式连接。
2锚箱式索梁锚固区构造
苏通大桥的索梁锚固结构如图1所示。钢锚箱主要由锚箱顶板N1、锚箱底板N2、带圆孔的承压板N3、锚垫板N7、锚箱腹板N4和锚箱加劲肋N5(N5')构成。整个锚箱通过锚箱顶、底板以及承压板与主梁外腹板间的焊缝焊接在外腹板上。拉索穿过承压板上的圆孔锚固在锚垫板上。拉索将索力由锚垫板传递给承压板,然后索力通过锚箱顶、底板以及承压板与外腹板间的三条焊缝以剪力的形式传递到钢箱梁外腹板上,进而通过横箱梁顶、底板和横隔板分散到整个箱梁截面上。
承压板在巨大索力的作用下会受弯挠曲,引起锚箱顶、底板向外鼓出变形,因此需在两板之间设置锚箱腹板N4形成框架结构,并在锚箱顶、底板外侧设置锚箱加劲肋N5(N5')来限制这种变形(注:本文中锚箱顶板N1、底板N2、承压板N3以及锚箱腹板N4构成箱形结构,这些板件面向拉索的一侧规定为内侧,背离拉索的为外侧)。
3有限元模型建立
3.1锚固区局部模型
本文采用中跨成桥恒载索力最大的J34号索,取锚固区以及附近的箱梁节段(16.0 m)为研究对象,拉索倾斜角20.284°,按照实际尺寸建立有限元模型。研究节段模型如图2所示。
3.2混合有限元模型
传统的节段模型一般不考虑钢箱梁节段的位移边界条件以及力边界条件[3],所以本文为了相对精确地模拟箱梁节段模型的边界条件和受力状态,将锚固区局部模型与全桥模型进行耦合,在连接处以主梁梁单元节点为主节点与钢箱梁节段两端截面所有节点进行自由度耦合。模型中,J34号索钢锚箱及锚固区前后16 m箱梁节段用壳单元Shell63模拟,桥梁其他梁段、索塔、桥墩等采用梁单元Beam4模拟,斜拉索用Link10模拟,混合模型局部如图3所示。
4索梁锚固区易损性分析
4.1板件基本参数
板件基本参数见表1。
4.2总体应力分析
混合模型计算得到苏通大桥J34号索索力为5 545 k N,索梁锚固区索力作用下的应力云图见图4。由图4可知:1)J34号索索梁锚固区von Mises应力最大值为172 MPa,各处的应力均小于许用应力。2)等效应力在承压板和外腹板的交界处较大,并向两侧衰减。
4.3钢锚箱顶板N1应力分析
钢锚箱顶板N1在索力作用下von Mises应力云图如图5所示。
由图5可知:1)钢锚箱顶板von Mises应力最大值123 MPa,大部分区域应力较小,在13.8 MPa~81.8 MPa之间,远小于材料的许用应力。2)应力最大值出现在锚箱顶板与主梁外腹板焊缝的顶端位置。3)锚箱顶板内侧与承压板交界处也发生了应力集中,这是因为承压板在索力作用下发生弯曲,与锚箱顶板内侧发生挤压。应力沿着拉索方向迅速衰减。
4.4钢锚箱底板N2应力分析
钢锚箱底板N2在索力作用下von Mises应力云图如图6所示。
由图6可知:1)钢锚箱底板von Mises应力最大值为113 MPa,大部分区域应力较小,在12.6 MPa~75.2 MPa之间,远小于材料的许用应力。2)应力最大值出现在锚箱底板内侧与承压板交界处。应力沿着拉索方向迅速衰减。3)锚箱底板与主梁外腹板焊缝的顶端区域也发生了应力集中现象。
4.5承压板N3应力分析
承压板N3在索力作用下von Mises应力云图如图7所示。
由图7可知:1)承压板von Mises应力最大值为152 MPa。内外侧应力均以承压板对称轴为轴对称分布。2)在承压板外侧,应力集中发生在承压板与主梁外腹板焊缝中部位置,其他三条边附近应力较小。3)在承压板内侧,应力集中也发生在承压板与主梁外腹板焊缝中部位置,其他三条边附近应力较小,在索孔附近应力又有所增加。
4.6钢锚箱腹板N4应力分析
钢锚箱腹板N4在索力作用下von Mises应力云图如图8所示。
由图8可知:1)钢锚箱腹板von Mises应力最大值为172 MPa,大部分区域应力较小,在19.5 MPa~115 MPa之间,远小于材料的许用应力。2)近主梁外腹板的锚箱腹板应力小于远离主梁的锚箱腹板应力,这是由于它靠近锚箱顶板、底板及承压板与主梁外腹板间的焊缝,所以它不需要过多的参与受力。3)近主梁外腹板的锚箱腹板最大应力值为140 MPa,位于其内侧与承压板交界处。应力沿着拉索方向迅速衰减。4)远离主梁外腹板的锚箱腹板绝大部分区域应力水平很低,小于39 MPa,其内侧与承压板交界处也存在轻微的应力集中现象,但是在过焊孔处应力集中明显,应力最高水平达到172 MPa。
5结语
1)索力主要通过锚箱顶板、锚箱底板以及承压板与主梁腹板间的焊缝以剪力的形式传递给整个主梁截面。2)在5 545 k N索力的作用下,索梁锚固区的von Mises应力最大值为172 MPa,出现在锚箱腹板与承压板焊缝的端点区域。3)锚箱顶板、底板与主梁外腹板的焊缝顶部区域、承压板与主梁外腹板的焊缝中部均产生了明显的应力集中现象。4)索梁锚固区其他区域应力水平较小,应力值均小于材料的许用应力。
参考文献
[1]满洪高.大跨度钢斜拉桥索梁锚固结构试验研究[D].成都:西南交通大学,2007.
[2]李小珍,蔡婧,强士中.大跨度钢箱梁斜拉桥索梁锚固结构型式的比较研究[J].工程力学,2004,21(6):84-90.
[3]陈国红.大跨度钢斜拉桥锚箱式索梁锚固结构计算方法与力学特性研究[D].上海:同济大学土木工程学院,2009.
斜拉桥索梁锚固结构应力分析 篇4
安庆长江大桥主桥为主跨510m的双塔双索面钢箱梁斜拉桥。钢箱梁为扁平闭口流线形,索梁锚固为钢箱式锚固结构。该结构锚箱处板件较多,连接复杂,索力较大,加上斜拉索索力对腹板会产生附加弯矩,通过理论分析和计算研究,该区域都难以准确反映其真实的应力分布情况。为此,对钢箱梁与斜拉索的锚固结构进行了静载试验,以研究锚箱附近的应变和应力状态。
1试验模型及试验基本情况
试验模型主要包括模拟主梁、模拟索塔及张拉钢绞线三部分。模拟主梁采用了4.75m的长度,锚箱箱体及与之连接的腹板采用了与实际结构一致的尺寸及连接方式,主梁顶、底板则加厚并向锚箱一侧延伸,采用宽1.2m、厚0.05m的板件。模拟索塔采用箱形钢结构构件,一方面模拟主梁的约束条件,另一方面作为加载的反力构件。张拉杆用于模拟斜拉索进行加载,加载通过安装在模拟索塔张拉架上的900t级千斤顶进行。
该桥的最大设计索力为460t,由此确定试验加载工况。进行3种工况加载:工况Ⅰ分级加载到最大设计索力;工况Ⅱ分级加载到1.7倍最大设计索力;工况Ⅲ分级加载到1.9倍最大设计索力。
2 试验结果及其分析
2.1 应力分布分析
锚箱由顶板、底板、侧板、承压板、肋板构成。其中肋板不是主要受力构件,其应力较小,而承压板受力简单。此外,试验主要关心的是锚箱结构在最大设计索力460 t下的受力情况。因此只对工况Ⅰ实际1.0倍最大设计索力下,锚箱顶板、底板、侧板进行分析。根据试验测得的应变,可算得锚箱板件各测点的主应力及其作用方向,见图1～图4。
从图1,图2可以看出,锚箱顶、底板均以受压为主,且受力呈现一定的规律性。主压应力方向大致平行于板边缘,即平行于张拉钢绞线方向。而在垂直于该方向,锚箱顶、底板的受力相对较小。在锚箱顶、底板靠腹板侧主压应力中间小两头大。在另一侧则相反,主压应力呈现中间大两头小的规律。在顶、底板中间,主压应力从其靠锚箱承压板端向另一端递减。由此表明,锚箱结构为偏心受压状态,使得顶、底板存在受扭现象。锚箱顶、底板在其自由端靠腹板侧应力较大,而且对于顶板,在此处另一方向还存在较大的主拉应力。
从图3,图4可以看出,锚箱内、外侧板的两侧以受压为主,其主压应力方向大致平行于张拉钢绞线方向。而在垂直于该方向,内、外侧板的受力相对较小。锚箱内、外侧板在中间靠槽口处以受拉为主,主拉应力方向垂直于张拉钢绞线方向。而在另一端,外侧板仍以受拉为主,内侧板则以受压为主。锚箱内、外侧板的最大主压应力均发生在其靠锚箱承压板端,并由此向另一端递减。
2.2 应力发展进程分析
为了研究应力随加载的变化进程,在工况Ⅱ下,进行14级加载。即采用分级加载从1级0.2倍最大设计索力到14级1.7倍最大设计索力。取锚箱内、外侧板部分测点,根据其各级加载所得主应力,计算得各级加载等效应力,见图5。
从图5中可以看出,荷载与应力呈线性关系。表明在1.7倍最大设计索力,即782 t索力范围内,锚箱内、外侧板均未屈服,结构受力呈线性状态。
3 三维有限元仿真分析
本次试验模型的有限元计算,采用的是大型通用程序ANSYS。计算模型主要采用空间板壳单元Shell43建立,在锚箱承压板和索塔上斜拉索锚固承压板处,采用了接触单元Targe170和Conta174。由于模型中的斜拉索只是起加载作用,因此计算时采用两锚固处的等效分布荷载代替。
从图6中可以看出,锚箱顶、底板在其自由端靠腹板侧主应力较大,且应力沿斜拉索方向逐渐减小,到达承压板附近又迅速增大,最大压应力处达到248 MPa,等效应力为224 MPa。锚箱内、外侧板在其靠锚箱承压板端应力最大,且应力向自由端方向逐渐减小。锚箱以受压力为主。锚箱加劲肋板应力较小。
4 试验实测值与有限元计算值比较
根据主应力,可算得测点实测等效应力值,并把该等效应力值与有限元计算的等效应力进行比较,见表1,表2。
MPa
MPa
从表1,表2等效应力实测值与计算值的比较中可以看出,大部分测点的试验实测值和有限元计算值很接近。证明试验结果符合力学规律,是可信的。同时,也证明采用三维有限元分析的索梁锚固结构应力基本能够反映实际应力分布规律。
5结语
锚箱顶板、底板、侧板均以受压为主,主压应力方向大致平行于张拉钢绞线方向,而在垂直于该方向的受力相对较小。锚箱顶、底板最大主压应力均在靠腹板侧近主梁端,而侧板的最大主压应力值均在靠锚箱承压板端,并由此向另一端递减。在锚箱顶、底板靠腹板侧主压应力中间小两头大;在另一侧则相反,主压应力呈现中间大两头小的规律;在中间主压应力从锚箱承压板端向另一端递减。在782t索力范围内,锚箱结构受力呈线性状态。
有限元计算应力值与实测应力值吻合较好,证明试验结果可信,而且三维有限元方法可以用于估算实际索梁锚固结构的应力分布。
参考文献
[1]严国敏.现代斜拉桥[M].成都:西南交通大学出版社,1996.
[2]林元培.斜拉桥[M].北京:人民交通出版社,1998.
[3]刘庆宽,强士中,张强,等.斜拉桥锚箱式索梁锚固区应力分析[J].桥梁建设,2001(20):66-67.
[4]沈锐利.大跨度桥梁及城市桥梁[M].成都:西南交通大学出版社,2002.
[5]鄢余文.安庆长江大桥索锚固结构静载与疲劳试验研究[D].成都:西南交通大学,2005.