基于ABAQUS的某斜拉桥钢锚梁静力计算分析

基于ABAQUS的某斜拉桥钢锚梁静力计算分析
吴威
【摘要】斜拉桥索塔钢锚梁作为一种受力明确、构造相对简单的锚固构造,在斜拉桥设计中得到了越来越广泛的应用.本文以某双塔双索面斜拉桥为背景工程,采用通用有限元分析软件ABAQUS对该斜拉桥的索塔钢锚梁进行了静力计算分析,在给出钢锚梁和钢牛腿的Mises应力图的同时,对钢锚梁在静力荷载下的应力水平提出了建议,同时也为ABAQUS在斜拉桥钢锚梁局部分析中的应用提供一些参考.
【期刊名称】《广东建材》
【年(卷),期】2019(035)006
【总页数】3页(P47-49)
【关键词】钢锚梁;ABAQUS静力分析;Mises应力
【作者】吴威
【作者单位】广东省交通规划设计研究院股份有限公司
【正文语种】中文
1 引言
斜拉桥是一种由主梁、主塔以及斜拉索共同参与受力体系的桥梁。

斜拉桥相比于拱桥和悬索桥，因其跨径范围大、造型优美，因而在我国得到了广泛的应用。

斜拉索通过拉索和主塔的锚固构造将巨大的索力传到塔身，斜拉索的水平力由索塔的锚固构造自行承担，竖向力由塔身传到桥塔基础。

因此拉索和主塔锚固构造的设计合理
性，决定了拉索力是否能均匀、安全地传递到塔身。

索塔锚固构造的设计是整座斜拉桥设计的一个关键部分，在实际工程设计中索塔锚固构造一般分为三种，混凝土锚块、钢锚梁和钢锚箱。

混凝土锚块是通过在索塔上设置锚块，将斜拉索索力通过锚块传递给塔身。

其优点是构造简单，但是锚固区局部应力过大，且在塔身上需要配置大量的环向预应力钢束，使得塔身的应力状态更为复杂。

而钢锚箱的构造相当复杂，在实际施工中也存在一定的难度。

相比于混凝土锚块和钢锚箱，钢锚梁以其构造简单、受力情况明确，且在工厂较为容易预制，因而在斜拉桥的索塔锚固构造中应用最为广泛。

ABAQUS 是一种大型通用非线性有限元分析软件，已在机械、军工、航天制造、结构工程、岩土工程中得到了大面积的应用，而将ABAQUS 应用于桥梁结构的局部分析在国内实例还较少。

因此本文是基于ABAQUS 有限元分析软件，结合工程实例，针对某斜拉桥钢锚梁进行静力计算分析，也为将来ABAQUS 在桥梁结构计算中的应用提供一些参考。

2 工程背景
本文以某双塔双索面斜拉桥为背景工程。

该桥跨径组合为（131+300+131）m，主梁为混凝土箱梁，主塔采用“花瓶”形桥塔，钢筋混凝土结构，主塔高
111.32m，索塔锚固范围的长度是42.2m。

主塔拉索锚固区采用钢锚梁的锚固形式，“花瓶”形桥塔的单根塔柱是单箱单室截面。

单根塔柱箱形截面外轮廓长7.0m，宽4.8m，斜拉索锚固在钢锚梁上，钢锚梁通过高强螺栓连接在索塔壁牛腿上，牛腿连接到索塔壁预埋钢板上，预埋钢板设置剪力钉与索塔锚固。

钢锚梁内侧设置横向挡块，限制钢锚梁的横向位移。

拉索穿过预埋在塔壁中的钢管锚固在钢锚梁两端的锚块上。

单根桥塔共设置20 个钢锚梁锚固20 对钢锚梁，钢锚梁编号从塔底往塔顶依次为GML1～GML20，拉索编号从桥塔向跨中依次为1～20。

钢锚梁及牛腿的构造如图1 所示。

3 有限元模型的建立和计算
3.1 计算模型的选取
先采用商业软件Midas Civil 建立空间杆系模型，进行结构受力总体分析。

结构在运营状态下的分析考虑了恒载、温度荷载、汽车荷载、支座沉降、风荷载的作用。

经计算分析后得到桥梁结构在运营过程中每根斜拉索的包络索力。

对计算所得的索力和钢锚梁的构造进行综合分析，最终选取索力最大的GML20 号钢锚梁，边跨侧最大成桥索力5344kN，最大运营索力5913kN。

同时截取GML20 号钢锚梁所在的部分塔身与钢锚梁一起建立有限元分析模型。

图1 钢锚梁及牛腿构造图
3.2 有限元模型的建立
⑴材料特性。

钢锚梁钢材采用Q345 号钢，弹性模量E=210GPa，理想弹塑性材料。

⑵单元选择。

主塔钢锚梁采用S4R 单元（四节点缩减积分壳单元）模拟，缩减积分单元可以显
著地提高运算效率，并避免出现剪切锁死。

钢锚梁上的钢板厚度不大，采用壳单元模拟是合理的。

同时考虑到拉索是通过锚板和锚垫板将索力传递给钢锚梁，锚板和锚垫板上的局部应力较大，采用壳单元模拟可能带来结果的不准确，因此对于锚板和锚垫板采用C3D8R（三维8 节点缩减积分实体单元）模拟。

同样对于桥塔塔壁，也采用C3D8R 单元模拟。

划分单元后的模型如图2 所示。

图2 单元划分
⑶边界条件。

塔身底部采用固结处理，钢锚梁和塔壁之间采用Tie 连接处理，即无相对位移状态。

图3 边界约束
⑷索力的施加。

通过将索力转化为钢锚梁锚板上的均布压力，将斜拉索索力传递到钢锚梁上，实现索力的施加。

3.3 有限元计算结果
由于钢是一种各项同性的材料，因此对于钢结构的局部分析，主要考察的是Mises 应力。

通过计算分析，钢锚梁以及钢牛腿在成桥状态和运营状态下的结构Mises 应力云图如图4～图7 所示。

4 有限元结果分析
从整体分析结果来看，钢锚梁和钢牛腿的平均应力均在200MPa 以内，应力分布在主要受力板件中，说明钢锚梁和钢牛腿各主要板件尺寸的设计较为合理。

同时将钢锚梁和钢牛腿在成桥状态和运营状态下的最大Mises 应力，以及最大Mises 应力出现的位置统计于表1中。

图4 钢锚梁在成桥状态下的Mises 应力
图5 钢牛腿在成桥状态下的Mises 应力
图6 钢锚梁在运营状态下的Mises 应力
图7 钢牛腿在运营状态下的Mises 应力
表1 Mises 应力表（MPa）?
由以上计算结果可知，在个别的板件交界处应力出现了畸变，这可能是由于在有限元分析中，热点应力集中所造成的。

因此Mises 应力云图中的最大Mises 应力不能作为结构的最大应力水平，应着重考察板件的平均应力水平。

在钢锚梁的Mises 应力图中，应力主要分布在上顶板、竖板，以及直接承受索力的锚板和锚垫板，因此在设计中这几块板件的厚度应考虑适当加厚。

在钢牛腿的Mises 应力图中，应力主要集中在牛腿的竖板，因此在设计中竖板的厚度应考虑适当加厚。

成桥状态和运营状态下Mises 应力差别不大，但斜拉索的索力会在活载的作用下
不断变化，因此在钢锚梁中应力会不断发生改变，对钢锚梁还应验算疲劳作用。

所以基于保守设计的原则下，建议钢锚梁和钢牛腿在静力状态下的应力应控制在
0.6fy（钢材屈服强度）以内。

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【参考文献】
【相关文献】
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