基于Ansys的斜拉桥索梁锚固结构有限元分析

米 静 王智龙 陈春羽

(中交路桥技术有限公司，北京 100011)

基于Ansys的斜拉桥索梁锚固结构有限元分析

米 静 王智龙 陈春羽

(中交路桥技术有限公司，北京 100011)

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。

索梁锚固结构，应力分布，钢箱梁局部模型，Ansys

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]：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。

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。

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，其他部位板件均按照实际图纸建模计算。

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2.1×105MPa，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。

2.2 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。

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

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

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。

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；

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。

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。

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。

[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 cable-stayed bridge girder anchorage structure based on Ansys

MI Jing WANG Zhi-long CHEN Chun-yu

(CCCCRoad&BridgeTechnologyLimitedCompany,Beijing100011,China)

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.

cable girder anchorage structure, stress distribution, steel box girder local model, Ansys

1009-6825(2014)28-0178-02

2014-07-24

米 静(1983- )，男，工程师； 王智龙(1982- )，男，工程师； 陈春羽(1984- )，女，工程师

U448.27

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