空间六索面斜拉桥钢桥塔拉索锚固区受力分析及结构优化.pdf

第 18卷?第 1期2010年 3月山东交通学院学报J OURNAL OF SHANDONG JI AOTONG UNI VERSI TYVo.l 18 No.1M ar.2010收稿日期:2009-09-27作者简介:薛宪政(1983?),男,山东巨野人,大连理工大学硕士研究生,主要研究方向为桥梁与隧道工程设计创新.DO I:10.3969/.j issn.1672-0032.2010.01.010空间六索面斜拉桥钢桥塔拉索锚固区受力分析及结构优化薛宪政,潘盛山,张?哲(大连理工大学 建设工程学部,辽宁 大连?116024)摘要:依据钢桥塔的结构形式和受力特点,建立钢桥塔节段的板壳有限元模型,对索塔锚固区进行有限元静力分析,得出索塔锚固区的应力分布特征,通过减小塔壁与横隔板厚度、在锚固区支撑加劲肋间加水平加劲肋等对锚固区的结构进行优化,使上横隔板的应力集中现象得到了很好的解决,且传力较流畅。关?键?词:斜拉桥;钢桥塔;索塔锚固区;应力分析;结构优化中图分类号:U448.27?文献标识码:A文章编号:1672-0032(2010)01-0038-04城市公园中,为了满足人们的视觉享受,景观桥梁的首选设计方案往往是带索结构桥梁,斜拉桥桥塔是主要的传力构件,桥塔上拉索锚固区受力复杂,常会出现较大的应力集中现象,关系到整座桥的安全耐久性。同时,由于钢桥塔结构的钢板比较薄,常有钢板还未达到破坏强度就因失稳而破坏的情况发生。因此合理的结构设计对于防止结构失稳作用显著。本文以营口青龙公园 2#桥独塔斜拉桥为例,着重分析桥塔处拉索锚固区的受力原理,根据受力原理合理布置各钢板构件,以便能更有效地传递荷载而不发生屈曲,更好地发挥钢材的性能,且经济性较好。1?工程概况?营口青龙公园 2#桥独塔斜拉桥总布置图如图 1,2所示,图中单位为 m。图 1?营口青龙公园 2#桥立面图图 2?营口青龙公园 2#桥平面图该桥主跨长 75 m,边跨长 33m,全桥长 108m,桥宽 11m(6m 车行道+3m人行道+2m 索区)。主梁采用单箱双室箱梁混凝土结构,桥塔上部的拉索锚固区采用圆台式钢箱结构,下部为圆柱混凝土实体结构,桥塔下塔柱用 3根混凝土柱与地基相连,桥塔钢混结合段采用在混凝土塔柱中预埋钢板与钢结构上塔柱相连接的方法。由于主桥路面为单路面,边跨为分开双路面,因此主跨侧为双索面,边跨侧为四索面,故拉索在钢桥塔中的锚固构造就显得复杂,受力不明确。2?受力机理及计算模型2.1?受力机理锚箱锚固区断面图与立面图如图 3,4所示,图中单位为 mm。中小型索桥钢桥塔所受的力一般由斜拉索通过锚杯传递给锚垫板,再由承压板传给支撑加劲肋,支撑加劲肋通过熔透焊焊接在桥塔内壁,通过焊缝传递拉索的竖向分力,拉索的水平力由横隔板和横隔板上下的水平加劲肋承担。为了更有效地传递拉索的竖向力和水平力,减少塔壁钢板的环向应力,避免钢板局部受压屈曲,在结构上进行如下布置:1)如图 3,在钢塔壁上布置 6道通长的竖向加劲肋,提高钢塔的承压面积,从而提高了钢塔的竖向极限承载力,增加了钢塔截面的抗弯惯性矩 1-2;2)在锚固区层面处的横隔板下面布置 8道水平加劲肋 I,有效传递拉索水平方向的分力。为了避免水平加劲肋 I屈曲失稳,在任意 2个水平加劲肋 I之间加一竖向加劲肋 I,如图 3所示。图 4给出的是斜拉桥最顶层拉索锚固区 1/6拉索锚固的构造,主要由钢塔壁、锚固层处横隔板、拉索以下 0?65 m处第 2道横隔板、支撑加劲肋、锚垫板、承压板和锚垫板上下腹板组成,构造比较简单,可以基本满足拉索力的水平和竖向传递。单层锚固区板件规格及数量如表 1所示。39第 1期?薛宪政等:空间六索面斜拉桥钢桥塔拉索锚固区受力分析及结构优化?表 1?单层锚固区板件规格及数量名称厚度/mm单节段数量/块塔壁301(钢塔范围内通长)支撑加劲肋2812(钢塔范围内通长)垫板406名称厚度/mm单节段数量/块承压板406竖向加劲肋 128横隔板222名称厚度/mm单节段数量/块竖向加劲肋226水平加劲肋 1282.2?有限元计算模型图 5?1/2钢塔锚固区有限元模型为了研究索塔锚固区局部受力情况,以整桥为研究对象,利用有限元分析软件 M idas?C ivil进行整体受力分析,根据该桥索塔锚固区的结构形式和索力大小,选取最不利的索塔锚固区并参照圣维南原理确定合理的计算塔段长度,并应保证锚箱附近范围内的钢板应力受模拟边界条件影响较小,选取受力较为不利的索塔顶部 1个节段进行空间分析 3,其 1/2钢塔锚固区有限元模型如图 5所示。为了确定实桥结构中钢锚箱各部件的承载能力和安全储备,选取斜拉桥顶部拉索索力最大的一层锚固区进行计算分析。将斜拉索的最大索力作为外载荷作用于索塔锚垫板处,考虑承压板对应力的扩散作用,外载荷按均布荷载作用于锚箱承压板上的圆环面积内,圆环的内、外半径分别为锚箱承压板开孔半径和螺母外径加承压板厚。节段模型的数值模拟采用大型通用有限元计算软件 ANSYS。钢锚箱的各部件采用板单元进行模拟,是根据中厚板理论建立 4节点单元,每个节点分别具有 3个平动自由度和 3个转动自由度。除构造复杂的局部区域采用三角形单元外,其余部分划分为四边形单元,网格划分精度为 0?1m。索拉力以面荷载方式加载至相应锚垫板表面;对钢塔壁底端全部施加线约束,即模拟节段底部全部固接。钢的弹性模量 E=201MPa,泊松比?=0?3 4。3?结果分析?图 6 10分别是钢锚箱在最大索力下各主要构件的应力分布,图 6 10中的单位为 MPa。40?山东交通学院学报?2010年 3月?第 18卷由图 6 10可以看出,上横隔板的 Von?M ises应力范围为 10 170MPa,上横隔板的最大水平位移仅为 0?5mm,横隔板由于分担拉索的水平分力而导致的应力集中现象突出。下横隔板的 Von?M ises应力较小,最大值仅为 53MPa,横桥向塔壁的 Von?M ises应力范围为 3?5 63?4MPa,应力储备较大,塔壁的顺桥向最大位移为 0?8 mm。证明横隔板可有效承担拉索的水平力,钢塔壁的环向应力较小 5。竖向加劲肋可防止钢桥塔的塔壁发生局部失稳,竖向加劲肋的数量和宽度与索塔的整体刚度成正比,从经济适用的角度,加劲肋应布置适当,以免造成材料浪费。横隔板可提高塔壁板的局部稳定性,有效传递拉索的水平分力。考虑到经济实用,且不影响索塔的整体承载力,并进一步增加应力的安全储备,把塔壁的厚度改为 22 mm,鉴于本桥连续 2层拉索间距为 1?5 m,将下层横隔板的厚度改为 10 mm,为了更好地保证塔壁在拉索水平力的作用下不发生失稳,将第 2层横隔板的厚度取为 10 mm,在锚固区两两支撑加劲肋间增加厚度为 12mm 的水平加劲肋!,单节段数量共 12块。优化后各主要构件的 Von?M ises应力如图11 14所示(单位为 MPa)。由图 11 14可以看出,上横隔板的应力集中现象得到了很好的解决,且传力较流场 6-7。4?结?论?1)通过对索塔的节段模型进行数值模拟,优化前钢塔顶部第 1层锚固区总体应力不高,塔壁大部分区域应力低于 40MPa,承载能力符合设计要求。锚固区横隔板由于分担拉索的水平分力而存在应力集中现象,且数值较大,但基本小于 200MPa,且应力扩散较快,应力传递较流畅,承载能力总体满足要求。2)优化后,减小了塔壁和上下横隔板的厚度,增加了 12道水平加劲肋!,水平加劲肋!可与横隔板共同将拉索的水平分力传到塔壁板,既不影响索塔的整体承载力,保证了塔壁的局部稳定性,又避免了上横隔板的应力集中现象。3)由于仅选取了 1个节段模型进行有限元模拟,鉴于单层有 6个锚箱,可以建立实体模型进行实验分析,与数值模拟进行比较,更有现实意义。(下转第 68页)41第 1期?薛宪政等:空间六索面斜拉桥钢桥塔拉索锚固区受力分析及结构优化?UndergroundWater Forecast in TunnelEntrance SectionSHE X iao?nian1,YANG Jia?bao2,ZHOU Qin3(1.H unan Provinical Express way Administration,Changsha 410007,China;2.School of CivilEngineering and A rchitecture,Central South University,Changsha 410007,China;3.China Railway Engineering ConsultantsGroup,Beijing 100055,China)Abstract:On the basis of analysis of principle of infrared ray predicting water,w ith engineering?case detection,detecting curves of ZK50+282.5 ZK50+289 and YK50+278 YK50+284 in curve tunnel is obtained.Forecast of the aquiferous layer of the pal m section is made,which can offer reference for the si m ilar tunnelconstruction.Key words:tunnel entrance section;infrared ray;water forecas;t pal m section;aquiferous layer;forcast(责任编辑:杨秀红)(上接第 41页)参考文献:1陈开利.钢锚箱索塔锚固区受力机理 J.中国铁道科学,2008,29(4):58-64.2王茜,王春生,俞欣,等.钢桥塔局部稳定试验与数值分析 J.长安大学学报:自然科学版,2008,28(5):67-72.3路春阳,吴冲.火炬异形钢索塔局部应力分析 J.计算机辅助工程,2007,16(4):26-30.4葛俊颖,王立友.基于 ANSYS的桥梁结构分析 M 北京:中国铁道出版社,2007.5王春生,黄本才,俞欣,等.钢桥塔塔形力学特性分析 J.长安大学学报:自然科学版,2007,27(4):47-50.6满洪高,李乔,唐亮.钢斜拉桥锚箱式索梁锚固区合理构造型式研究 J.中国铁道科学,2005,26(04):23-27.7万臻,李乔.大跨度斜拉桥钢锚箱锚固区试验与计算分析 J.铁道学报,2007,29(05):89-92.Analysis of Stress and StructureOpti mization of SteelPylon CableAnchored Region of Spatial Six CablesPlane Cable?Stayed BridgeXUE Xian?zheng,PAN Sheng?shan,ZHANG ZheFaculty of Infrastructare Engineering,Dalian University of Science and Technology,Dalian 116024,ChinaAbstract:The finite ele m entmodel of the board shell of the steel pylon sections has been set up based on thestructure,for m and stress characteristics of steel pylon.The finite element static analysis of steel pylon has beenmade and the characteristics of distribution of stress of anchorage area of pylon obtained show that in anchorregion structure opti m ization successfully made by reducing the thickness of pylon and horizontal clapboard,supporting and strengthening the level reinforcing ribs can solve the problem of stress focus on the horizontalclapboard and the power transm ission becom esmore smooth.Key words:cable?stayed bridge;steel pylon;cable anchored region;stress analysis;structure opti m ization(责任编辑:杨秀红)68?山东交通学院学报?2010年 3月?第 18卷