武汉九龙大桥桥塔拉索锚箱局部应力分析

2021-12-16魏顺波

城市道桥与防洪 2021年11期

魏顺波，潘凡

[林同棪国际工程咨询（中国）有限公司武汉分公司，湖北武汉 430020]

0 引言

采用有限元法对桥梁进行局部受力分析时，一般有3 种方法。第一种方法是对整个桥梁结构进行三维空间有限单元离散，可以求得全桥整体的变形和应力状态，但计算量非常巨大，一般的计算机很难满足要求。第二种方法是对第一种方法的改进，将局部结构处理为子结构，可使计算量减少许多，但仍然相当烦琐，不够灵活。第三种方法是依据圣维南原理进行局部分析，这时影响区外的计算结果与子结构计算结果较为接近，计算精度基本能满足工程要求。这是采用比较多的一种方法。

1 工程概况

九龙大桥为武汉市高新二路上的一座桥梁，跨越武汉外环线，全长519.08 m。桥轴线与外环高速公路斜交，斜交角49.4°。外环高速公路现状为双向四车道，路基宽度26.5 m。考虑斜交角及远期外环高速公路拓宽的可能性，主桥跨径采用（65+95）m。

主桥主梁采用钢箱梁，钢材材质Q 345qD，横断面为整体式闭合箱形断面，顶板宽36 m，底板宽26.6 m，梁高2.6 m。

主塔外观横立面呈斜伸的网球拍型，与竖直方向立面呈10°的倾斜角，塔高约66.1 m，桥面标高以上部分高约63.5 m。主塔采用钢箱截面，截面尺寸为3.6 m×3.6 m，拱肋采用Q 345qD 钢材。

主桥为双索面斜拉桥，斜拉索在梁上锚固于箱梁两侧距桥梁中心线13.75 m 处。全桥共20 对斜拉索。斜拉索在65 m 跨侧梁上的顺桥向间距为3.5 m，在95 m 跨侧梁上的顺桥向间距为5 m。

2 拉索与桥塔锚箱局部应力分析

2.1 分析模型

选取锚箱M 10 进行建模分析，如图1 所示。

图1 锚箱M10 构造图（单位：mm）

运用有限元软件建立三维模型，如图2 所示。模型全部采用壳单元模拟，共12 668 个单元，12 826 个节点。模型边界条件为约束上下端头的拱肋。模型荷载在采用整体分析得到的极限组合下，锚箱M 10 对应的拉索的索力进行加载。模型网格划分如图3 所示。

图2 锚箱有限元模型

图3 有限元模型网格划分示意

2.2 材料参数

材料均采用Q 345 钢材，弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比ν=0.3，质量密度p=7.698×103kg/m3，线膨胀系数α=1.2×10-5。其中钢板厚度最大为30 mm，最小为24 mm。

2.3 强度分析结果

以下为最大、最小索力工况下M 10 锚箱的有限元分析结果，对于最小索力工况下仅给出Mises 应力图和剪应力图。M 10 锚箱有限元分析结果如图4～图7 及表1 所示。

表1 最大索力工况下锚箱应力

图4 最大索力工况Von Mises 应力云图（单位：kPa）

2.3.1 最大索力工况

图5 最大索力工况最大剪应力云图（单位：kPa）

图6 最大索力工况主拉应力云图（单位：kPa）

图7 最大索力工况主压应力云图（单位：kPa）

最大索力工况下，钢锚箱最大Von Mises 应力为142.34 MPa，最大剪应力67.45 MPa，最大主拉应力132.99 MPa，最大主压应力-114.01 MPa 满足强度要求。最大应力出现在承压板与隔板连接处、隔板与拱肋连接的角隅处。这些地方出现了明显的应力集中。索塔锚固区各板件钢材在复杂的应力状态下工作。钢材的屈服并不只取决于某一方向的应力,可由反映各方向应力综合影响的强度理论来确定。对于材质均匀各向同性的钢材，通常采用二、四强度理论来确定相应的破坏准则。经常采用Von Mises 应力来判断材料的屈服条件。该判别准则如下：

式中：σmises为Von Mises 应力,σ1、σ2、σ3为3 个方向主应力，fy为材料屈服强度。

依据《钢结构设计规范》（G B 50017—2017）、《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D 64—2015）,Q 345qD钢屈服强度345 MPa，轴向抗拉压强度取200 MPa。因此，锚箱各板件的承载能力符合要求。

进一步将锚箱隔板分离出来查看其应力水平。由图8 锚箱隔板的Von Mises应力水平多在40～50 MPa左右，应力水平较低。应力通过隔板传向拱肋。索导管与隔板连接处应力水平较高。由图9 可见，锚箱隔板的最大剪应力多在40 MPa 以下。由图10 可见，锚箱隔板最大主拉应力多在50 MPa 以下。由图11 可见，锚箱隔板最大主压应力多在-50 MPa 以下。