某自锚式悬索桥钢箱梁分析的单元模型研究

王 珏

(大连金湾建设集团有限公司，辽宁 大连 116600)

自锚式悬索桥建造困难的主因是在架设主缆之前需要先将桥体结构架立起来[1,2]。1990年建成的330跨度的大阪Konohana桥是世界上首次建造的大跨度自锚式悬索桥，自此以后，世界各地陆续建设了一些大跨度自锚式悬索桥。有限元模型与方法是桥梁分析的重要工具，但需要利用实验数据对其模型进行校验。Ochsendorf和Billington[1]采用有限元方法分析了Konohana自锚式悬索桥。Romeijn等[2]利用有限元软件对自锚式悬索桥进行了参数研究。

本文采用壳单元有限元法[3]和梁格方法[4]研究自锚式悬索桥的钢箱梁，在梁格方法中分别采用了铁摩辛柯梁单元和欧拉—贝努力梁单元。采用四个实测结果测试了上述三种有限元模型的有效性。

1 自锚式悬索桥有限元分析模型

某自锚式悬索桥如图1所示，主跨长157.1 m，其主缆锚于其主梁上，边跨长86.4 m，其主缆地锚。主塔为矩形截面的变截面钢筋混凝土独柱。14排吊索仅布置于主跨。主桥加劲梁为单箱四室的双钢箱。针对钢箱梁，分别采用壳单元、铁摩辛柯梁单元和欧拉—贝努力梁单元模型。主索和吊杆都采用桁架单元，主塔采用铁摩辛柯梁单元，所有支撑处的竖向位移都取为固定约束。

2 自锚式悬索桥分析结果

在结构自重情况下，桥面底板Mises应力与实测数据与三种有限元分析模型的计算结果进行对比，以便确定该桥的合理有限元分析模型。

图2给出的是钢箱加劲梁底板上Mises应力的计算位置和实测位置的平面图。实测位置分别位于加劲梁第5号和第8号吊索的上、下游底板位置。

图3和图4分别给出了上游底板和下游底板上计算位置的Mises应力对比曲线。由图3和图4可见，采用壳单元的Mises应力计算结果与实测值接近，最大相对误差约为9.5%，相对误差约为3.0%；采用铁摩辛柯梁和欧拉—贝努力两种梁单元的计算结果的误差大。由图3和图4可知，结构自重条件下，三种有限元分析模型的最大Mises应力值均出现于第11号吊杆位置的上游底板和下游底板处；采用壳单元给出的最大Mises应力值为32.7 MPa，采用铁摩辛柯梁单元给出的最大Mises应力值为39.8 MPa，采用欧拉—贝努力梁单元给出的最大Mises应力值为41.2 MPa。

3 结语

自锚式悬索桥钢箱梁有限元分析时应采用壳单元。采用铁摩辛柯梁单元和采用欧拉—贝努力梁单元的梁格模型的计算精度都较差。采用铁摩辛柯梁单元和采用欧拉—贝努力梁单元的梁格模型计算给出的各吊杆应力结果相近，但明显不同于采用壳单元计算给出的各吊杆的应力结果。

[1] J.A.Ochsendorf,D.P.Billington.Self-anchored suspension bridges[J].Journal of Bridge Engineering,1999,4(3)：151-156.

[2] A.Romeijn,R.Sarkhosh,D.Goolen.Parametric study on static behaviour of self-anchored suspension bridges[J].International journal of steel structures,2008,8(2):91-108.

[3] S.D.Kulkarni,S.Kapuria.A new discrete Kirchhoff quadrilateral element based on the third-order theory for composite[J].Computational Mechanics,2005,39(5):237-246.

[4] E.C.Hambly,E.Pennells.Grillage analysis applied to cellular bridge decks[J].Struct.Eng.,1975,53(7):267-275.