ANSYS在某钢结构自锚式悬索桥中的应用
2018-03-26
1. 工程概况
某空间独塔自锚式悬索桥，主跨长157m，边跨长86m。主跨主缆锚于主梁的两侧，边跨主缆锚于地锚，
此桥为双向8车道，主桥桥面标准宽度为38.6m，主桥钢箱加劲梁采用单箱四室的分离式双钢箱正交异性板，之间用钢箱横撑连接。每3m设置1道横隔板，每隔6m置1道钢箱横撑。主塔为变截面钢筋混凝土独柱、矩形截面, 桥面以上塔高58m，主塔横桥向宽4.6m，顺桥向塔底宽13.0m，塔顶宽4.5m。主缆共2根，垂跨比约为1/5.4。吊索仅布置在主跨，顺桥向间距9m，共14排。此自锚式悬索桥立面图如图1所示。
2. 有限元模型的建立及分析结果
2.1 钢箱加劲梁的模拟
本桥桥面板为正交异性刚桥面板[2], 对于正交异性板的分析较为成熟的方法是解析法，并以Pelikan-Esslinger法最为著名。P-E法是将纵肋（U肋或开口肋）均分摊到盖板上，而将横肋作为刚性支承，求解后再将横肋的弹性支承计入。
在本模型中采用ANSYS中shell63单元模拟桥面板，考虑横纵坡的影响，利用刚度相等的方法将纵横向加劲肋等效为板厚。
2.2 主缆和吊索的模拟
主缆、吊杆采用三维仅受拉或仅受压杆单元Link10模拟。主缆具有两个特点：①只能受拉（KEYOPT⑶=0）。②当轴向拉力增大的同时抵抗横向变形能力增强，即“应力刚化”（SSTIF,ON）。对于抗弯刚度很小甚至没有抗弯刚度的缆索体系结构进行分析时,应力刚化效应是必须的。在定义主缆单元类型时选择“options”，将仅受拉或仅受压选项设置为只受拉（KEYOPT⑶=0），则其在受压时，单元刚度矩阵为0。在分析阶段打开应力刚化开关即可考虑应力刚化。在ANSYS中，当大变形被激活（NLGEOM,ON）,应力刚化效应自动激活（SSTIF,ON）。
GUI: Main Menu>Solution>Unabridged Menu>Analysis Type>Analysis Options在弹出Static or Steady-State Analysis窗口中[NLGEOM]项选择On。
2.3 主塔的模拟
主塔为变截面，采用三维弹性梁单元Beam44模拟。为了减少计算时间和满足计算机计算容量的要求，可将钢筋与混凝土两种材料考虑为匀质材料，其材料特性由相应的混凝土和钢筋的特性换算求得，具体换算方法如下[3] [4]:
（1） 等效弹性模量
根据截面力的平衡原理 （3-1）
（3-2）
因纵向变形协调 （3-3）
（3-4）
整理上面各式得 （3-5）
（3-6）
所以（3-7）
（2）等效容重
同理（3-8）
（3-9）
（3-10）
式中：
、 、 、 ——钢筋混凝土的等效弹性模量、等效面积、等效容重、等效体积；
、 、 、 ——钢筋的弹性模量、面积、容重、体积；
、 、 、 ——混凝土的弹性模量、面积、容重、体积；
、——面积配筋率、体积配筋率。
截面惯性矩为单元坐标系下惯性矩。矩形截面扭转惯性矩计算方法[45]如式3-11所示：
（3-11）
其中 按式（3-12）计算：
（3-12）
也可以按照查表法求出抗扭惯 （3-13）
式中： 、 ——板的宽度和厚度；
——与截面边长有关的系数，。
地锚处主缆固接，边跨跨中桥墩固接，主塔下端固接，主跨自锚处桥墩限制竖向线位移。
2.5 分析结果
图3及图4分别给出了在自重情况下，桥梁的变形及主缆与吊杆的轴向应力。
图3 此自锚式悬索桥变形
本桥最大变形为22.5mm，且发生在拉索位置，变形较小，复合要求。
图4 主缆与吊杆轴向应力
拉索最大应力为833MPa，由于本桥采用高强钢绞线，许用应力为1600MPa，所以拉索强度复合要求。
3 结论
对某自锚式悬索桥钢箱加劲梁，可采用ANSYS中shell63单元模拟，可将纵横向加劲肋等效为板厚。对于主缆及吊杆，可采用link10单元模拟，考虑应力刚化。钢筋混凝土变截面主塔，可采用beam44单元模拟，将钢筋与混凝土两种材料等效为一种，从自重下变形与主缆和吊杆应力来看，模型复合工程实际，可为该桥的长期监测和安全评估服务。
[1]. 张立明. Algor、Ansys在桥梁工程中的应用方法与实例[M]. 北京：人民交通出版社, 2003.
[2]. 项海帆.高等桥梁结构理论.北京：人民交通出版社，2001，162-188.
[3]. 税彦斌. 基于板单元的矮塔斜拉桥运营阶段计算和地震与稳定分析研究：[硕士学位论文] 成都: 西南交通大学, 2007.
[4] 柯红军,李传习.基于ANSYS的自锚式悬索桥有限元建模和分析方法.交通与计算机，2008,5（26），131-135.
