矮塔斜拉桥索梁锚固局部有限元静力分析

矮塔斜拉桥索梁锚固局部有限元静力分析

刘超

山东建筑大学  济南  250101

摘要：因其自身优越的结构性能，矮塔斜拉桥的地位越来越突出，对交通和经济的发展有重大的意义。以某一矮塔斜拉桥为背景，对索梁锚固在索力作用下进行局部有限元静力分析，分析索梁锚固的应力分布和位移大小。通过分析得到以下结论：（1）为使用有限元建模进行矮塔斜拉桥索梁锚固应力分析提供了一种方法；（2）索梁锚固的锚块存在应力集中现象，设计时应注意此处结构的加强。

关键词：应力分布；有限元；矮塔斜拉桥；索梁锚固

0前言

矮塔斜拉桥是近几十年发展起来的一种新型桥梁结构形式，也是一种受力以梁为主，索为辅的桥梁结构。矮塔斜拉桥是斜拉索与桥梁体共同协作，介于连续桥与斜拉桥之间的一种新型桥梁，受力特点与这两种桥既联系又区别。

在矮塔斜拉桥中，索梁锚固在长期巨大荷载的作用下，容易出现应力集中现象，且结构中布置有一定数量的预应力钢筋，使得该部位有着非常复杂的受力情况。因此，受力性能是否可靠，关系着整座大桥是否安全。对其进行静力分析，显得尤为重要。

1有限元建模

采用ANSYS实体单元SOLID45、3D杆单元LINK8和弹性壳单元SHELL63相结合的方法进行索梁锚固的精细建模。在实体单元与杆单元连接处采用耦合处理，边界条件为实际的桥梁结构的边界条件。

实体单元SOLID45定义混凝土的材料属性，3D杆单元LINK8和弹性壳单元SHELL63定义钢材的材料属性。

索梁锚固的有限元模型如图1所示。

图1  有限元模型

矮塔斜拉桥索梁锚固布置有预应力钢筋，预应力钢筋采用3D杆单元LINK8进行建模，实体单元与杆单元连接用创建刚性域的方法进行耦合处理，如图2所示。

图2  实体单元与杆单元连接处进行耦合

2静力求解分析

有限元计算模型边界条件为实际的桥梁结构的边界条件，施加载荷时综合考虑自重、索力和预应力。将索力均布加在钢垫板区域，既钢板面积减去索道圆孔面积，索力方向与拉索方向相同，最后进行求解处理。

图3~5为索梁锚固应力计算结果（图中应力拉为正，压为负，单位为Pa）。

图3  索梁锚固第一主应力云图

由图3可以看出，第一最大主压应力为27.2MPa，第一最大主拉应力为50.2MPa。

图4  索梁锚固第二主应力云图

由图4可以看出，第二最大主压应力为48.4MPa，第二最大主拉应力为10.9MPa。

图5  索梁锚固第三主应力云图

由图5可以看出，第三最大主压应力为92.9MPa，没有出现主拉应力。

由图3~5不难看出，应力集中现象出现在锚块靠近索梁处，最大主应力均出现在垫板处。

索梁锚固位移计算结果如图6所示（图中位移单位为m）。

图6  索梁锚固位移云图

由图6可以看出，索梁锚固的最大位移为2.3mm。

3结论

（1）本文采用ANSYS实体单元SOLID45、3D杆单元LINK8和弹性壳单元SHELL63相结合的方法进行索梁锚固的精细建模。在实体单元与杆单元连接处采用耦合处理，边界条件为实际的桥梁结构的边界条件，施加载荷时综合考虑自重和索力。

（2）应力集中现象出现在锚块靠近索梁处，设计时应注意此处结构的加强，提高结构抗裂性。

（3）矮塔斜拉桥索梁锚固在索力下有一个较小的变形，在允许范围之内。

（4）经过应力分析可以看出此矮塔斜拉桥索梁锚固在索力下整体是一个比较合理的受压状态，为使用有限元建模进行矮塔斜拉桥索梁锚固应力分析提供了一种方法。

参考文献

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