ANSYS在某鋼結(jié)構(gòu)自錨式懸索橋中的應(yīng)用
2018-03-26
1. 工程概況
某空間獨塔自錨式懸索橋，主跨長157m，邊跨長86m。主跨主纜錨于主梁的兩側(cè)，邊跨主纜錨于地錨，
此橋為雙向8車道，主橋橋面標(biāo)準(zhǔn)寬度為38.6m，主橋鋼箱加勁梁采用單箱四室的分離式雙鋼箱正交異性板，之間用鋼箱橫撐連接。每3m設(shè)置1道橫隔板，每隔6m置1道鋼箱橫撐。主塔為變截面鋼筋混凝土獨柱、矩形截面, 橋面以上塔高58m，主塔橫橋向?qū)?.6m，順橋向塔底寬13.0m，塔頂寬4.5m。主纜共2根，垂跨比約為1/5.4。吊索僅布置在主跨，順橋向間距9m，共14排。此自錨式懸索橋立面圖如圖1所示。
2. 有限元模型的建立及分析結(jié)果
2.1 鋼箱加勁梁的模擬
本橋橋面板為正交異性剛橋面板[2], 對于正交異性板的分析較為成熟的方法是解析法，并以Pelikan-Esslinger法最為著名。P-E法是將縱肋（U肋或開口肋）均分?jǐn)偟缴w板上，而將橫肋作為剛性支承，求解后再將橫肋的彈性支承計入。
在本模型中采用ANSYS中shell63單元模擬橋面板，考慮橫縱坡的影響，利用剛度相等的方法將縱橫向加勁肋等效為板厚。
2.2 主纜和吊索的模擬
主纜、吊桿采用三維僅受拉或僅受壓桿單元Link10模擬。主纜具有兩個特點：①只能受拉（KEYOPT⑶=0）。②當(dāng)軸向拉力增大的同時抵抗橫向變形能力增強(qiáng)，即“應(yīng)力剛化”（SSTIF,ON）。對于抗彎剛度很小甚至沒有抗彎剛度的纜索體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時,應(yīng)力剛化效應(yīng)是必須的。在定義主纜單元類型時選擇“options”，將僅受拉或僅受壓選項設(shè)置為只受拉（KEYOPT⑶=0），則其在受壓時，單元剛度矩陣為0。在分析階段打開應(yīng)力剛化開關(guān)即可考慮應(yīng)力剛化。在ANSYS中，當(dāng)大變形被激活（NLGEOM,ON）,應(yīng)力剛化效應(yīng)自動激活（SSTIF,ON）。
GUI: Main Menu>Solution>Unabridged Menu>Analysis Type>Analysis Options在彈出Static or Steady-State Analysis窗口中[NLGEOM]項選擇On。
2.3 主塔的模擬
主塔為變截面，采用三維彈性梁單元Beam44模擬。為了減少計算時間和滿足計算機(jī)計算容量的要求，可將鋼筋與混凝土兩種材料考慮為勻質(zhì)材料，其材料特性由相應(yīng)的混凝土和鋼筋的特性換算求得，具體換算方法如下[3] [4]:
（1） 等效彈性模量
根據(jù)截面力的平衡原理 （3-1）
?。?-2）
因縱向變形協(xié)調(diào) （3-3）
?。?-4）
整理上面各式得 （3-5）
?。?-6）
所以（3-7）
?。?）等效容重
同理（3-8）
（3-9）
?。?-10）
式中：
、 、 、 ——鋼筋混凝土的等效彈性模量、等效面積、等效容重、等效體積；
、 、 、 ——鋼筋的彈性模量、面積、容重、體積；
、 、 、 ——混凝土的彈性模量、面積、容重、體積；
、——面積配筋率、體積配筋率。
截面慣性矩為單元坐標(biāo)系下慣性矩。矩形截面扭轉(zhuǎn)慣性矩計算方法[45]如式3-11所示：
?。?-11）
其中 按式（3-12）計算：
（3-12）
也可以按照查表法求出抗扭慣 （3-13）
式中： 、 ——板的寬度和厚度；
——與截面邊長有關(guān)的系數(shù)，。
地錨處主纜固接，邊跨跨中橋墩固接，主塔下端固接，主跨自錨處橋墩限制豎向線位移。
2.5 分析結(jié)果
圖3及圖4分別給出了在自重情況下，橋梁的變形及主纜與吊桿的軸向應(yīng)力。
圖3 此自錨式懸索橋變形
本橋最大變形為22.5mm，且發(fā)生在拉索位置，變形較小，復(fù)合要求。
圖4 主纜與吊桿軸向應(yīng)力
拉索最大應(yīng)力為833MPa，由于本橋采用高強(qiáng)鋼絞線，許用應(yīng)力為1600MPa，所以拉索強(qiáng)度復(fù)合要求。
3 結(jié)論
對某自錨式懸索橋鋼箱加勁梁，可采用ANSYS中shell63單元模擬，可將縱橫向加勁肋等效為板厚。對于主纜及吊桿，可采用link10單元模擬，考慮應(yīng)力剛化。鋼筋混凝土變截面主塔，可采用beam44單元模擬，將鋼筋與混凝土兩種材料等效為一種，從自重下變形與主纜和吊桿應(yīng)力來看，模型復(fù)合工程實際，可為該橋的長期監(jiān)測和安全評估服務(wù)。
[1]. 張立明. Algor、Ansys在橋梁工程中的應(yīng)用方法與實例[M]. 北京：人民交通出版社, 2003.
[2]. 項海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論.北京：人民交通出版社，2001，162-188.
[3]. 稅彥斌. 基于板單元的矮塔斜拉橋運(yùn)營階段計算和地震與穩(wěn)定分析研究：[碩士學(xué)位論文] 成都: 西南交通大學(xué), 2007.
[4] 柯紅軍,李傳習(xí).基于ANSYS的自錨式懸索橋有限元建模和分析方法.交通與計算機(jī)，2008,5（26），131-135.
