斜拉桥桥塔有限元分析

谢上飞

(湖南省交通科学研究院,湖南长沙 410015)

0 引言

斜拉桥因其结构合理、外形美观、造价低、施工方便等突出的优点而成为世界上广泛采用的桥型[1]。桥塔是斜拉桥的重要组成部分,既要承受恒载和活载产生的巨大轴向力和弯矩,又要承受温度变化、支座沉降位移、风荷载、地震力、混凝土收缩、徐变带来的次内力的影响,其受力较为复杂。采用合理的有限元模型对桥塔进行仿真分析是重要的研究课题。

本文采用ANSYS程序,分别采用实体单元和梁单元建立了某大跨斜拉桥主塔的有限元模型[2],并分别对两种模型进行了模态分析和时程分析,通过对计算结果的分析,比较了两种模型各自的优缺点。图1给出了主塔的结构细部图。

图1 主塔结构细部图(单位:mm)

1 有限元模型的建立

为了比较两种单元建模的差异,本文分别采用梁单元和实体单元建模[3]。

1.1 梁单元模型

模型单元采用BEAM188单元。BEAM188单元是建立在Timoshenko梁分析理论基础上的,计入了剪切效应和大变形效应,故可以考虑剪切变形和翘曲,同时也支持大转动和大应变等非线性,而且可以直接显示梁截面上的应力和变形,适合于从细长到中等粗短的梁结构。与其他的梁单元相比,BEAM188有更强的非线性分析能力,而且有强大的横截面定义功能,能够自由定义各种截面。采用BEAM188单元模拟桥塔时,首先利用其强大的横截面定义功能预先定义塔的各部分截面,然后再将其分配给塔的各部分。图2—a给出了ANSYS建立的梁单元模型,模型中共有节点200个,单元199个。

1.2 实体单元模型

模型单元采用SOLID65单元。SOLID65单元是ANSYS中专门为混凝土建立的单元,可以考虑混凝土在复杂受力状态下的变形情况。使用SOLID65单元建立实体模型中,首先建立相应的几何模型,然后对几何模型进行网格划分。需要注意的是,由于塔是变截面的结构,为了使力能顺利传递,需要在变截面处施加接触面单元。图2—b给出了ANSYS建立的实体单元模型,模型中共有14 919个节点,12 671个单元。与梁单元模型相比,节点数和单元数都大幅度提高。

图2 两种不同单元有限元模型

2 模态分析

为了比较采用两种单元建立的有限元结构模型的动力学性能,本文分别计算了两种模型对应的结构的前6阶自振频率。自振频率计算结果见图3。

图3 两种不同单元有限元模型模态分析结果对比

续图3 两种不同单元有限元模型模态分析结果对比

模态分析结果表明,两种单元建立的有限元分析模型其模态分析结果相差均不大,相差最大的为第一阶模态,误差为2.1%,满足工程精度要求。同时可以看出,采用实体模型比采用梁单元模型可以更直观地反映结构的真实变形,特别是高阶扭转模态,如果采用梁单元模型无法直观地反映其变形情况,而实体单元模型不存在此问题。

3 地震响应分析

3.1 地震时程分析

为了更好地对比两种有限元结构模型在地震作用下的反应,分别采用时程分析法对两种有限元模型进行计算。计算地震波采用日本阪神地震波(南北向),计算时采用加速度峰值附近15 s的地震记录进行计算,并按7度小震进行调幅[4],地震记录时间间隔0.02 s。地震波记录见图4。图5给出了两种模型的顶点位移响应曲线和加速度响应曲线。

3.2 地震响应结果分析

由时程曲线可以看出,两种单元模型的顶点位移时程曲线和加速度时程曲线基本重合,表明采用梁单元模拟桥塔是可行的。从计算过程来看,采用梁单元模型,计算KOBE波耗时大概5min,而采用

4 体会和结语

在常见的隧道拱顶塌方处治中,从安全方面考虑,切不可冒然清理掉塌体下部的堆积体。此堆积体在大多数情况下,能起到暂时稳定掌子面或拱顶上部的塌体,能防止拱顶塌方的进一步发展。从结构安全和使用寿命方面来看,塌方部位需回填密实。利用塌体下部的堆积体作为底模,进行顶部塌腔体的注浆或泵送混凝土进行回填,不仅安全,且经济,只需回填部分预埋钢管和一些混凝土或水泥砂浆材料,无需打设大量锚杆、架设钢拱架等。此类塌方处治思路和方法,安全、经济,易于操作,值得推广应用。

[1]JTG D 70-2004,公路隧道设计规范[S].

[2]JTG F60-2009,公路隧道施工技术规范[S].

[3]崔永杰.顺层偏压隧道灾害处理及施工技术[J].现代隧道技术,2009(5).

[4]蒋正华.隧道洞口地形偏压段的新型设计与施工方法[J].公路工程,2010(2).