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
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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
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
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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
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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.