基于Ansys的斜拉桥索梁锚固结构有限元分析
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载力分析［J］． 长安大学学报，2007，27( 3) : 47-51． ［6］ JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范［S］． ［7］ 张育智，李 乔，满洪高． 斜拉桥锚箱式索梁锚固区应力及传
力途径分析［J］． 西南交通大学学报，2006，41( 2) : 179-183．
The finite element analysis on
的模拟方式。按照非线性接触分析方法中的面—面高级接触技 术 来 模 拟 钢 锚 箱 的 锚 垫 板 和 承 压 板，由 于 两 者 为 接 触 非 线 性 问 题，接触非线性问题属于高度非线性。采用 Ansys 有限元软件建 立局部模型，锚垫板选取 Solid45 实体单元来模拟建立，其他板件 选取 Ansys 中 的 Shell43 弹性板壳单元来模拟建立，计算中激活 Ansys 计算选项中板的应力刚化效应和接触单元的厚度效应，采用 接触分析中的无限摩擦理论来模拟垫板与承压板之间的接触边界。
米 静 王智龙 陈春羽
（ 中交路桥技术有限公司，北京 100011）
摘 要： 以福建某特大桥为背景，采用 Ansys 建立了钢箱梁局部模型，计算分析了斜拉桥索梁锚固结构的受力性能，找到了结构的
关键受力部位，为锚固区的设计和施工提供了理论依据和相应的建议。
关键词： 索梁锚固结构，应力分布，钢箱梁局部模型，Ansys
的安全性，证明了钢锚箱作为一种普遍采用的索梁锚固形式在受
力性能上的合理性和可靠性。
1 工程背景
福建某特大桥，主桥北接长门村，南接琅岐岛。跨越闽江，大 桥处于闽江的下游，濒临闽江的入海口，桥址区东临东海，是福州 绕城高速公路东南段工程项目中重要的控制性工程。主桥全长 848 m，结构形式为（ 35 + 44 + 66） m + 550 m + （ 66 + 44 + 35） m 双 塔双索面混合梁斜拉桥。主梁中跨采用底板水平宽度较大的流 线型扁平钢箱梁、边跨采用整体式混凝土箱梁，主要轮廓尺寸为： 钢箱梁含风嘴顶板全宽为 38． 5 m，不含风嘴顶板宽为 34 m，中心 线处梁高 3． 204 m。桥跨布置见图 1。
3） 锚固板作为主要传力构件应力集中位置主要出现在与承 压板的焊缝处，由 于 焊 缝 直 接 承 受 锚 垫 板 传 递 的 压 力 作 用，因 此 出现应力集中，随着板的扩散，应力衰减也较快；
4） 钢箱梁腹板为主要受力构件，应力集中处主要在锚固区的 焊缝连接处；
5） 钢箱梁顶板应力集中位置是钢锚箱锚固顶板与钢箱梁顶板的 连接处，应力集中的原因是由此处承受了较大的剪力和弯矩造成的。
1 767 1 078
内已建成的武汉白沙洲大桥、南京长江二桥、武汉军山长江大桥、
润扬长江公路斜 拉 桥、安 庆 长 江 大 桥、南 京 长 江 三 桥 以 及 施 工 中 的苏通长江公路大桥均采用锚箱式索梁锚固结构。但是由于斜 拉索的巨大拉力集中作用在索梁锚固结构处，通过有限的范围传 递到主梁上，受力 集 中，应 力 复 杂。因 此 对 钢 锚 箱 各 个 板 件 在 拉 索索力作用下的受力性能研究是十分必要的。
3 结论与建议 3． 1 结论
计算结果表明： 锚箱式连接是一种合理的索梁锚固形式，锚 垫板和承压板共 同 承 担 索 力，再 由 承 压 板、锚 固 板 和 加 劲 板 所 组 成 封 闭 框 架，通 过 锚 固 区 连 接 焊 缝 将 索 力 传 递 到 钢 箱 梁 的 腹 板 上，结构是安全可靠的； 采用非线性接触分析手段，较为准确的模 拟了钢锚箱的受 力 机 制，计 算 结 果 合 理，通 过 计 算 找 到 了 结 构 受 力较大的关键位置，并分析了成因。
38 500
1 290 500 3 000+3×3 750+750=15 000 750+3×3 750+3 000=15 000 500 1 290
960 500
2 000
500 960
将索力传递给钢 箱 梁 腹 板，进 而 传 递 到 钢 箱 梁 的 顶、底 板 上。 国
1 767 1 078 3 204
图 6 钢锚箱锚固板的 MISES 应力（单位：10-3 MPa）
1） 锚垫板的应力较大部位在开孔处，由于锚垫板和承压板共 同承受索力作用，所以在板与板的接触位置由于压力的作用出现 应力集中的现象，应力集中部位是在锚固板与加劲板支撑位置出 现，往板边缘应力慢慢减小；
2） 承压板的应力较大部位在开孔处与承压板和腹板的焊缝 处，开孔处出现应 力 集 中 的 原 因 和 锚 垫 板 相 同 ，焊 缝 处 由 于 承 受 锚垫板传来的压力和弯矩，所以出现应力较大的现象；
最大应力 243． 4 212． 9 217． 7 275． 8
项目 钢箱梁
板件 顶板 底板 腹板 锚箱处横隔板
最大应力 262． 3 130． 8 244． 5 164． 7
2． 3． 2 结果分析
计算模型各个关键板件的最大 MISES 应力见图 4 ～ 图 6，从 应力图可以看出，钢 锚 箱 作 为 直 接 受 力 结 构，各 个 板 件 的 应 力 值 较大，以往的研究表 明［7］ 钢 锚 箱 锚 固 板 是 主 要 的 传 力 构 件，索 力 的 80% 以上最终将转化为剪力由锚固区焊缝直接传递到钢箱梁 腹板上，最终完成共同受力。
笔者采用 Ansys［3］有限元软件模拟建立了钢箱梁的局部计算 模型，钢锚箱模型的主要难点为主要受力板件： 锚垫板和承压板 的模拟方法。在模型中按照非线性接触分析手段中的面—面高 级接触［4，5］技术模拟了锚垫板和承压板的接触分析，验证了大桥
7 850
22 800
7 850
图 2 钢箱梁标准横断面（单位：mm） 钢箱梁及钢锚箱材料［6］选用 Q345q 结构钢，各向同性，屈服 极限 fy = 345 MPa，弹性模量取为 2． 1 × 105 MPa，泊松比取为 0． 3， 密度取为 7 850 kg / m3 。模型边界条件的处理方式为： 计算时不考 虑主梁的第一体系力，箱梁近塔侧主梁和纵隔板端部位置均按固 结边界处理； 在箱梁节段模型的纵向 1 /2 剖面采用对称约束，整 个模型共有 46 066 个节点，56 285 个单元，具体模型见图 3。
2． 3 钢锚箱锚固区有限元分析
为了研究钢锚箱在最不利荷载组合作用下各个板件的受力 性能，采用 Midas 有限元软件建立全桥整体模型，从模型中提取最 不利工况作用下标准梁段的最大索力，再将最大索力加载到锚垫 板的加载面上。
2． 3． 1 结构计算
收稿日期： 2014-07-24 作者简介： 米 静（ 1983- ） ，男，工程师； 王智龙（ 1982- ） ，男，工程师； 陈春羽（ 1984- ） ，女，工程师
MX 1 002 1 001
MN 2 007 55 642 109 277 162 913 216 548
28 824 82 460 136 095 189 730 243 366 图 4 钢锚箱承压板的 MISES 应力（单位：10-3 MPa）
1 001 1 002 MX
MN
426.651 47 632 94 838 142 044 189 249
3 500+4 400+6 600
84 800 55 000
6 600+4 400+3 500 800
5 580 13 040 5 510 5 380 13 040
28 300
图 1 桥跨布置（单位：cm）
2 钢锚箱锚固区有限元计算模型 2． 1 研究对象
计算模型采用 Ansys 有限元软件，选取一个标准梁段的半幅 模型，主梁长度为 15 m，其中纵肋按照图 2 建模，4 道横隔板与远 塔端主梁端部的距离为 0． 75 m，3． 75 m，2 × 3． 75 m，3 × 3． 75 m，
图 3 梁段有限元模型
2． 2 研究方法
钢锚箱结构相对 独 立，是 主 要 受 力 兼 传 力 体 系，在 拉 索 方 向 有足够的连接焊缝，使索力能流畅的传递到主梁。其结构包括锚 垫板、承压板、锚固 板 顶、底 板，钢 锚 箱 加 劲 板 及 钢 箱 梁 腹 板 锚 固 区加劲翼板。钢箱梁局部模型的关键是钢锚箱锚垫板和承压板
中图分类号： U448． 27
文献标识码： A
DOI:10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2014.28.100 大跨度钢箱梁斜拉桥索梁锚固结构有 4 种常见的形式［1，2］： 其他部位板件均按照实际图纸建模计算。
锚箱式连接、耳板 式 连 接、锚 管 式 连 接 和 锚 拉 板 式 连 接。 钢 锚 箱 式连接是一种普遍采用的索梁锚固形式，钢锚箱式连接构造的传 力途径明确，拉索锚固在锚垫板上，再经过承压板和锚固顶、底板
3． 2 建议
1） 通过计算发现斜拉桥索梁锚固设计中，承压板和锚垫板可 以共同受力，日本本州四国联络桥公团顾问远藤武夫认为应采用 较厚的垫板来分 布 荷 载，而 采 用 较 薄 的 承 压 板，建 议 可 以 通 过 有 限元分析和试验相结合来找出合理的指标。2） 焊缝作为主要传 力部件将承受较 大 的 应 力，尤 其 是 与 横 隔 板 交 界 处 和 焊 缝 端 部， 因此在施工中应该加强检测管理。3） 通过计算找到了应力较大 的板件位置，必要时可以适当增加相应位置的板厚来有效的减小 应力，提高结构的安全性。 参考文献： ［1］ 林元培． 斜拉桥［M］． 北京: 人民交通出版社，1994． ［2］ 常文洁，邱文亮，夏文来． 斜跨钢拱桥索梁锚固区主梁腹板
第 40 卷 第 28 期 2014年10 月
米 静等： 基于 Ansys 的斜拉桥索梁锚固结构有限元分析
·179·
整体模型分析所得最不利荷载组合作用下梁段的最大索力
为 5 935 kN，将索力加载到 Ansys 模型中，通过计算得到模型中关
键板件的 Von Mises 应力。由承压板、锚固板和加劲肋所形成的
第 40 卷 第 28 期
·178· 2 0 1 4 年 1 0 月
山西建筑
SHANXI AＲCHITECTUＲE
Vol． 40 No． 28 Oct． 2014
文章编号： 1009-6825（ 2014） 28-0178-02
基 于 Ansys 的 斜 拉 桥 索 梁 锚 固 结 构 有 限 元 分 析
封闭框架作用下，承压板所承受的垫板传来的压力呈现明显的不
均匀性。框架范围内压力较大，框架外侧接触应力较小。直接支
撑承压板处的接触最强。计算各个板件在最大力工况索力作用
下的最大 MISES 应力值如表 1 所示。
表 1 模型关键板件的 MISES 应力
MPa
项目 钢锚箱
板件 承压板 锚垫板 钢锚箱锚固板 钢锚箱加劲板
加劲肋优选［J］． 武汉理工大学学报，2010，32( 1) : 139-142． ［3］ 王新敏． ANSYS 工程结构数值分析［M］． 北京: 人民交通出
版社，2007． ［4］ 万 臻，李 乔． 大跨度斜拉桥索梁锚固区三维有限元仿真
分析［J］． 铁道学报，2006，27( 2) : 41-45． ［5］ 周绪红，吕忠达，狄 谨． 钢箱梁斜拉桥索梁锚固区极限承
பைடு நூலகம்
24 030
71 235 118 441 165 647 212 852
图 5 钢锚箱锚垫板的 MISES 应力（单位：10-3 MPa）
MN
1 001 MX 1 002
571.662 48 816 97 059 145 303 193 547 24 694 72 937 121 181 169 425 217 669
cable-stayed bridge girder anchorage structure based on Ansys
MI Jing WANG Zhi-long CHEN Chun-yu
（ CCCC Ｒoad ＆ Bridge Technology Limited Company，Beijing 100011，China） Abstract： Taking a bridge in Fujian as the background，using Ansys to build steel box girder local model，calculated and analyzed the force performance of cable-stayed bridge cable girder anchorage structure，found the key force part of structure，provided theory basis and corresponding suggestions for design and construction of anchorage zone．
力途径分析［J］． 西南交通大学学报，2006，41( 2) : 179-183．
The finite element analysis on
的模拟方式。按照非线性接触分析方法中的面—面高级接触技 术 来 模 拟 钢 锚 箱 的 锚 垫 板 和 承 压 板，由 于 两 者 为 接 触 非 线 性 问 题，接触非线性问题属于高度非线性。采用 Ansys 有限元软件建 立局部模型，锚垫板选取 Solid45 实体单元来模拟建立，其他板件 选取 Ansys 中 的 Shell43 弹性板壳单元来模拟建立，计算中激活 Ansys 计算选项中板的应力刚化效应和接触单元的厚度效应，采用 接触分析中的无限摩擦理论来模拟垫板与承压板之间的接触边界。
米 静 王智龙 陈春羽
（ 中交路桥技术有限公司，北京 100011）
摘 要： 以福建某特大桥为背景，采用 Ansys 建立了钢箱梁局部模型，计算分析了斜拉桥索梁锚固结构的受力性能，找到了结构的
关键受力部位，为锚固区的设计和施工提供了理论依据和相应的建议。
关键词： 索梁锚固结构，应力分布，钢箱梁局部模型，Ansys
的安全性，证明了钢锚箱作为一种普遍采用的索梁锚固形式在受
力性能上的合理性和可靠性。
1 工程背景
福建某特大桥，主桥北接长门村，南接琅岐岛。跨越闽江，大 桥处于闽江的下游，濒临闽江的入海口，桥址区东临东海，是福州 绕城高速公路东南段工程项目中重要的控制性工程。主桥全长 848 m，结构形式为（ 35 + 44 + 66） m + 550 m + （ 66 + 44 + 35） m 双 塔双索面混合梁斜拉桥。主梁中跨采用底板水平宽度较大的流 线型扁平钢箱梁、边跨采用整体式混凝土箱梁，主要轮廓尺寸为： 钢箱梁含风嘴顶板全宽为 38． 5 m，不含风嘴顶板宽为 34 m，中心 线处梁高 3． 204 m。桥跨布置见图 1。
3） 锚固板作为主要传力构件应力集中位置主要出现在与承 压板的焊缝处，由 于 焊 缝 直 接 承 受 锚 垫 板 传 递 的 压 力 作 用，因 此 出现应力集中，随着板的扩散，应力衰减也较快；
4） 钢箱梁腹板为主要受力构件，应力集中处主要在锚固区的 焊缝连接处；
5） 钢箱梁顶板应力集中位置是钢锚箱锚固顶板与钢箱梁顶板的 连接处，应力集中的原因是由此处承受了较大的剪力和弯矩造成的。
1 767 1 078
内已建成的武汉白沙洲大桥、南京长江二桥、武汉军山长江大桥、
润扬长江公路斜 拉 桥、安 庆 长 江 大 桥、南 京 长 江 三 桥 以 及 施 工 中 的苏通长江公路大桥均采用锚箱式索梁锚固结构。但是由于斜 拉索的巨大拉力集中作用在索梁锚固结构处，通过有限的范围传 递到主梁上，受力 集 中，应 力 复 杂。因 此 对 钢 锚 箱 各 个 板 件 在 拉 索索力作用下的受力性能研究是十分必要的。
3 结论与建议 3． 1 结论
计算结果表明： 锚箱式连接是一种合理的索梁锚固形式，锚 垫板和承压板共 同 承 担 索 力，再 由 承 压 板、锚 固 板 和 加 劲 板 所 组 成 封 闭 框 架，通 过 锚 固 区 连 接 焊 缝 将 索 力 传 递 到 钢 箱 梁 的 腹 板 上，结构是安全可靠的； 采用非线性接触分析手段，较为准确的模 拟了钢锚箱的受 力 机 制，计 算 结 果 合 理，通 过 计 算 找 到 了 结 构 受 力较大的关键位置，并分析了成因。
38 500
1 290 500 3 000+3×3 750+750=15 000 750+3×3 750+3 000=15 000 500 1 290
960 500
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将索力传递给钢 箱 梁 腹 板，进 而 传 递 到 钢 箱 梁 的 顶、底 板 上。 国
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图 6 钢锚箱锚固板的 MISES 应力（单位：10-3 MPa）
1） 锚垫板的应力较大部位在开孔处，由于锚垫板和承压板共 同承受索力作用，所以在板与板的接触位置由于压力的作用出现 应力集中的现象，应力集中部位是在锚固板与加劲板支撑位置出 现，往板边缘应力慢慢减小；
2） 承压板的应力较大部位在开孔处与承压板和腹板的焊缝 处，开孔处出现应 力 集 中 的 原 因 和 锚 垫 板 相 同 ，焊 缝 处 由 于 承 受 锚垫板传来的压力和弯矩，所以出现应力较大的现象；
最大应力 243． 4 212． 9 217． 7 275． 8
项目 钢箱梁
板件 顶板 底板 腹板 锚箱处横隔板
最大应力 262． 3 130． 8 244． 5 164． 7
2． 3． 2 结果分析
计算模型各个关键板件的最大 MISES 应力见图 4 ～ 图 6，从 应力图可以看出，钢 锚 箱 作 为 直 接 受 力 结 构，各 个 板 件 的 应 力 值 较大，以往的研究表 明［7］ 钢 锚 箱 锚 固 板 是 主 要 的 传 力 构 件，索 力 的 80% 以上最终将转化为剪力由锚固区焊缝直接传递到钢箱梁 腹板上，最终完成共同受力。
笔者采用 Ansys［3］有限元软件模拟建立了钢箱梁的局部计算 模型，钢锚箱模型的主要难点为主要受力板件： 锚垫板和承压板 的模拟方法。在模型中按照非线性接触分析手段中的面—面高 级接触［4，5］技术模拟了锚垫板和承压板的接触分析，验证了大桥
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图 2 钢箱梁标准横断面（单位：mm） 钢箱梁及钢锚箱材料［6］选用 Q345q 结构钢，各向同性，屈服 极限 fy = 345 MPa，弹性模量取为 2． 1 × 105 MPa，泊松比取为 0． 3， 密度取为 7 850 kg / m3 。模型边界条件的处理方式为： 计算时不考 虑主梁的第一体系力，箱梁近塔侧主梁和纵隔板端部位置均按固 结边界处理； 在箱梁节段模型的纵向 1 /2 剖面采用对称约束，整 个模型共有 46 066 个节点，56 285 个单元，具体模型见图 3。
2． 3 钢锚箱锚固区有限元分析
为了研究钢锚箱在最不利荷载组合作用下各个板件的受力 性能，采用 Midas 有限元软件建立全桥整体模型，从模型中提取最 不利工况作用下标准梁段的最大索力，再将最大索力加载到锚垫 板的加载面上。
2． 3． 1 结构计算
收稿日期： 2014-07-24 作者简介： 米 静（ 1983- ） ，男，工程师； 王智龙（ 1982- ） ，男，工程师； 陈春羽（ 1984- ） ，女，工程师
MX 1 002 1 001
MN 2 007 55 642 109 277 162 913 216 548
28 824 82 460 136 095 189 730 243 366 图 4 钢锚箱承压板的 MISES 应力（单位：10-3 MPa）
1 001 1 002 MX
MN
426.651 47 632 94 838 142 044 189 249
3 500+4 400+6 600
84 800 55 000
6 600+4 400+3 500 800
5 580 13 040 5 510 5 380 13 040
28 300
图 1 桥跨布置（单位：cm）
2 钢锚箱锚固区有限元计算模型 2． 1 研究对象
计算模型采用 Ansys 有限元软件，选取一个标准梁段的半幅 模型，主梁长度为 15 m，其中纵肋按照图 2 建模，4 道横隔板与远 塔端主梁端部的距离为 0． 75 m，3． 75 m，2 × 3． 75 m，3 × 3． 75 m，
图 3 梁段有限元模型
2． 2 研究方法
钢锚箱结构相对 独 立，是 主 要 受 力 兼 传 力 体 系，在 拉 索 方 向 有足够的连接焊缝，使索力能流畅的传递到主梁。其结构包括锚 垫板、承压板、锚固 板 顶、底 板，钢 锚 箱 加 劲 板 及 钢 箱 梁 腹 板 锚 固 区加劲翼板。钢箱梁局部模型的关键是钢锚箱锚垫板和承压板
中图分类号： U448． 27
文献标识码： A
DOI:10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2014.28.100 大跨度钢箱梁斜拉桥索梁锚固结构有 4 种常见的形式［1，2］： 其他部位板件均按照实际图纸建模计算。
锚箱式连接、耳板 式 连 接、锚 管 式 连 接 和 锚 拉 板 式 连 接。 钢 锚 箱 式连接是一种普遍采用的索梁锚固形式，钢锚箱式连接构造的传 力途径明确，拉索锚固在锚垫板上，再经过承压板和锚固顶、底板
3． 2 建议
1） 通过计算发现斜拉桥索梁锚固设计中，承压板和锚垫板可 以共同受力，日本本州四国联络桥公团顾问远藤武夫认为应采用 较厚的垫板来分 布 荷 载，而 采 用 较 薄 的 承 压 板，建 议 可 以 通 过 有 限元分析和试验相结合来找出合理的指标。2） 焊缝作为主要传 力部件将承受较 大 的 应 力，尤 其 是 与 横 隔 板 交 界 处 和 焊 缝 端 部， 因此在施工中应该加强检测管理。3） 通过计算找到了应力较大 的板件位置，必要时可以适当增加相应位置的板厚来有效的减小 应力，提高结构的安全性。 参考文献： ［1］ 林元培． 斜拉桥［M］． 北京: 人民交通出版社，1994． ［2］ 常文洁，邱文亮，夏文来． 斜跨钢拱桥索梁锚固区主梁腹板
第 40 卷 第 28 期 2014年10 月
米 静等： 基于 Ansys 的斜拉桥索梁锚固结构有限元分析
·179·
整体模型分析所得最不利荷载组合作用下梁段的最大索力
为 5 935 kN，将索力加载到 Ansys 模型中，通过计算得到模型中关
键板件的 Von Mises 应力。由承压板、锚固板和加劲肋所形成的
第 40 卷 第 28 期
·178· 2 0 1 4 年 1 0 月
山西建筑
SHANXI AＲCHITECTUＲE
Vol． 40 No． 28 Oct． 2014
文章编号： 1009-6825（ 2014） 28-0178-02
基 于 Ansys 的 斜 拉 桥 索 梁 锚 固 结 构 有 限 元 分 析
封闭框架作用下，承压板所承受的垫板传来的压力呈现明显的不
均匀性。框架范围内压力较大，框架外侧接触应力较小。直接支
撑承压板处的接触最强。计算各个板件在最大力工况索力作用
下的最大 MISES 应力值如表 1 所示。
表 1 模型关键板件的 MISES 应力
MPa
项目 钢锚箱
板件 承压板 锚垫板 钢锚箱锚固板 钢锚箱加劲板
加劲肋优选［J］． 武汉理工大学学报，2010，32( 1) : 139-142． ［3］ 王新敏． ANSYS 工程结构数值分析［M］． 北京: 人民交通出
版社，2007． ［4］ 万 臻，李 乔． 大跨度斜拉桥索梁锚固区三维有限元仿真
分析［J］． 铁道学报，2006，27( 2) : 41-45． ［5］ 周绪红，吕忠达，狄 谨． 钢箱梁斜拉桥索梁锚固区极限承
பைடு நூலகம்
24 030
71 235 118 441 165 647 212 852
图 5 钢锚箱锚垫板的 MISES 应力（单位：10-3 MPa）
MN
1 001 MX 1 002
571.662 48 816 97 059 145 303 193 547 24 694 72 937 121 181 169 425 217 669
cable-stayed bridge girder anchorage structure based on Ansys
MI Jing WANG Zhi-long CHEN Chun-yu
（ CCCC Ｒoad ＆ Bridge Technology Limited Company，Beijing 100011，China） Abstract： Taking a bridge in Fujian as the background，using Ansys to build steel box girder local model，calculated and analyzed the force performance of cable-stayed bridge cable girder anchorage structure，found the key force part of structure，provided theory basis and corresponding suggestions for design and construction of anchorage zone．