海上拉索体系结构内力分析

刘盾

（中国船舶工业系统工程研究院，北京 100094）

1 结构体系及构造特点

拉索塔式海上平台和斜拉桥是海上拉索体系中的典型代表，拉索体系布置因其关键受力部件斜拉索的使用强度高、寿命长、受力均匀、整体结构稳定而著名。拉索塔式海上平台是固定式海上平台的一种，是一种采用绷绳(或钢索)与海底的基床相连来固定的海上平台。竖直的塔形结构自海底竖出海面,顶端是甲板,周边有绷绳或钢索向外拉开以固定平台整体。特点是具有较大的柔性, 作用在这样结构上的波浪荷载小于同样海况下的刚性支承结构。斜拉桥方面，以上海某跨海斜拉桥为例，斜拉索采用空间扇形双索面布置形式，结构外形独特，索塔锚固按照钢锚箱的方式，用剪力键(剪力钉)将钢锚箱连接到混凝土塔上，使两者一起受力。斜拉索的布置显著增强钢桥结构耗散能力，从而减小桥体结构受到的冲击力和造成的非良性位移。[1]

2 有限元仿真

本文以某海上斜拉桥为研究对象，使用一系列具有分部质量和刚度的离散单元来建立三维整体有限元模型，其中斜拉索采用空间杆单元Link10 模拟，该单元只拉不压，若Link10 受压，则刚度消失，恰好满足模拟斜拉索的松弛的需要。同时考虑到拉索本身固有的自重和初始应力，其非线性行为在有限元分析计算中不可忽视，因此依据等效弹性模量法对斜拉索的弹性模量进行折减运算。

共有192 条斜拉索，取四分之一进行建模则建立需48 条斜拉索。在拉索与梁连接构件索锚的位置依次建立48 个节点，设置鱼骨刺单元材料属性，并分别连接到主梁的相应位置上，建立鱼骨刺单元；在拉索与塔连接构件索锚的位置依次建立48 个节点，设置鱼骨刺单元材料属性，并分别连接到主塔的相应位置上，建立鱼骨刺单元；选择拉索单元类型，逐个分别设置其材料属性和实常数，分别连接到梁上锚索与塔上锚索上，建立拉索单元。

3 车载作用下内力分析

因本次课题采取的简化建模的方式，将主梁简化为线形单元，因此无法按照原桥面进行分车道加载，故而将原六车道的车辆数据按照上行以下行分为两类。同时发现，最小车辆轴距1.3m 相对于原建模时按横隔板划分的主梁节点间距3.72m 相比过小，故需将主梁节点间距缩小，即划分更多的节点，选择划分长度拟定为0.1m。

具体操作步骤如下：（1）选择主梁上非同一横隔板的相邻两个节点，删除两节点之间原本建立的梁单元模块，测得两节点间距后乘以十并取整，所得数字则为需要重新划分建立的节点数；（2）在原两节点之间填充上述划分节点数，依次连接，重新建立新的主梁单元；（3）重新加载二期恒载。[2]本文将大桥分为17 个载荷步(即16 段)来进行加载，全桥长(1430m)减去最长等效轴距(14m)后，每段长为88.5m，同时将载荷步编号为B1-B17。加载操作如下：（1）从B1 载荷步开始，先删除上个载荷步(若有)所加载的车辆轴重，选择所有主梁单元，若上行，则选择东侧主梁，选取x 坐标708m 处开始，每个载荷步向北移动88.5m，下行反之；（2）根据求出的等效轴距，求得每个轴所在位置，选择轴处0.3m 范围内的节点，得到范围内节点数（一般为三个节点），每个节点各加载对应轴等效轴重除以节点数；（3）从B1 到B17，每个载荷步都需要进行求解一次，并分别计算每个载荷步梁和塔上x、y、z轴方向上的力和弯矩，以及拉索的轴向力和轴向应力，提取数据并保存在文本文件中；（4）A1-A5 五类车辆，结合上下行两种车道，我们一共建立了10 种疲劳车辆载荷模型，需分别加载计算，故按照顺序以上(1)～(3)步需重复10 遍。

由于上行下行共有10 种模型车辆，每种车辆有17 个载荷步，每个载荷步又有对应的梁、塔、拉索的内力数据，因而数据量较多，在此仅选取上行车辆数据并提取拉索内力的最大及最小值。而在车辆作用下引起的疲劳累积损伤而造成斜拉桥主梁的静力失效，通常是由于关键截面弯矩过大而引起的强度失效，故下面只列出部分关键点的内力分布，分别选取跨中处和距跨中四分之一桥长处，见表1。

由表1 可以看出，不同模型车辆加载在跨中处和距跨中四分之一桥长处时，拉索内力大致不发生改变，只有轻微增长，主要因为内力由众多拉索分担，平均到每根拉索上的内力变化不大。同时在距跨中四分之一桥长处内力略小于跨中处，这显然是因为跨中处离塔较远，受力分析不难发现此时拉索受力要大于距跨中四分之一桥长处。如图1、图2。此外影响拉索内力的因素很多，对于长索，主要影响因素是垂度；对于短索，由于受刚度影响的部分占自身的比例较大，因此抗弯刚度对短索的影响较大。[3]

图1 1/4 处拉索轴向力和轴向应力

图2 跨中处拉索轴向力和轴向应力

表1 拉索内力

4 总结与展望

本文以海上拉索建筑-斜拉桥为研究对象，运用有限元分析软件ANSYS 建立了三维有限元模型，对桥梁进行动力特性及内力分析。

4.1 运用ANSYS 软件建立完整模型，并划分有限元分析单元。

4.2 在考虑自重后，计算出二期恒载及车辆荷载数值，后根据自重分析确定出车辆恒载所加的相应位置，运用ANSYS 计算获得拉索的内力及拉索轴向力和轴向应力。

从分析结果中看，在不同模型加载下，拉索内力不发生较大改变，主要因为内力由众多拉索分担，平均到每根拉索上的内力变化不大。本文仅考虑了自重恒载以及汽车荷载的影响，实际中尚需考虑诸如风载荷、潮汐、地震等影响。拉索塔式海上平台，其钢索结构特点相比本文研究对象更为复杂，受力情况特殊，可以作为后续研究的重点研究对象。