基于ANSYS的自锚式悬索桥静力特性分析

邓余杰

摘要：为研究自锚式悬索桥结构静力特性，以某主跨160m的混凝土自锚式悬索桥为例，采用ANSYS有限元软件建立其空间有限元模型，对在恒载及活载作用下结构的静力特性进行分析，以明确自锚式悬索桥的合理成桥状态。

关键词:混凝土自锚式悬索桥，有限元模型，静力特性

引言

自锚式悬索桥因造型美观、可灵活选取跨径及适应多种建筑场景等优点而得到极大的应用推广。其将主缆直接锚固在加劲梁两端，由加劲梁直接承受主缆的水平分力，不需要修建巨大的锚碇，这给不方便修建锚碇的地方修建悬索桥提供了一种解决办法[1]。占伟华[2]按最不利荷载组合计算了某独塔式自锚式悬索桥的受力及变形；刘春城[3]介绍了自锚式悬索桥受力特点及其非线性分析理论，并在多种荷载组合下对某自锚式悬索桥进行了非线性力学性能分析；沈锐利[4]等分析了某自锚式悬索桥吊索破断后的静力响应，对自锚式悬索桥吊索破断后的强健性进行了分析；姚登科[5]对某自锚式悬索桥进行全桥静力分析、钢箱梁锚固结构局部受力分析并对轻型组合桥面结构的受力特点进行了一定研究。上述学者对自锚式悬索桥的静力特性都有一定的研究，这充分说明自锚式悬索桥静力特性对研究自锚式悬索桥的各项特性都有着极为重要的作用。自锚式悬索桥在使用过程中，加劲梁在承受外荷载的情况下处于压、弯状态，而外荷载作用下结构的受力性能分析正是决定桥梁设计的主要依据，因此对自锚式悬索桥在恒载及活载作用下的静力特性分析十分必要[6]。

本文以某主跨160m的混凝土自锚式悬索桥为例，进行该桥在恒载及活载作用下的静力特性分析。该桥全长为15+70+160+70+15=330m，梁宽为41m，布置形式为2.5m人行道+3.5m非机动车道+（2.5+6×3.75+2.5）机动车道+3.5m非机动车道+2.5m人行道。车辆设计荷载为城－A级，人行道活载3.5KN/m2，非机动车道活载3.5KN/m2。

有限元模型建立

采用ANSYS建立全桥三维有限元模型，加劲梁和索塔采用beam4单元，主缆和吊索采用link10单元。模型中加劲梁采用鱼刺梁的形式模拟，纵向主刺的截面特性按加劲梁的实际截面特性取值，两侧的刚臂起传递力的作用，用来模拟加劲梁和吊索的连接；吊索和主缆的初始应力通过初应变施加；索塔底部采用固结约束。模型见图1。

静力特性分析

在正常使用阶段，加劲梁承受的一二期恒载包括混凝土自重、桥面铺装、防撞墙、人行道栏杆以及人行道铺装等荷载，活载按均布荷载35.29kN/m及主跨跨中作用360kN的集中力布置。根据以上建立的模型,计算分析自锚式悬索桥正常使用阶段在一二期恒载及活载作用下的加劲梁、主缆、吊索、桥塔等结构的静力响应。

在一二期恒载及活载作用下，自锚式悬索桥变形较小，最大竖向位移发生在加劲梁主跨跨中，为60.9mm，小于规范中L/300，满足挠度要求。最大纵向位移发生在桥塔顶端，为13.5mm。

图2给出了加劲梁上缘在一二期恒载及活载作用下的应力图。可以看出加劲梁上缘最大拉应力出现在主跨跨中，为20.04MPa，最大压应力出现在桥塔附近，为27.90MPa。加劲梁的应力均在合理范围内。

在一二期恒载及活载作用下,加劲梁的最大弯矩出现在主跨跨中处,约为24040kN·m；加劲梁轴力在锚固点之间分布较均匀，在38600kN～39100kN之间。主塔在上述荷载作用下基本处于中心受压状态,最大压应力为13.54MPa,出现在加劲梁与主塔横梁相交处,主塔最大弯矩出现在桥塔根部,约95214kN·m。

在一二期恒载及活载作用下,主缆应力处于89.98MPa～123.18MPa之间,吊索应力处于146.23MPa～192.03MPa之间，应力分布均匀且均在合理范围内。在一二期恒载及活载作用下,锚固跨支座反力均为负值，边墩处支反力为-1291.8kN，次边墩处支反力为-1865.8kN。

结论

从分析结果可以看出，自锚式悬索桥在使用阶段静力特性具有以下特点：

（1）加劲梁竖向位移小，能够很好的满足桥梁使用阶段的挠度要求；

（2）由于结构的特殊性，加劲梁主跨大部分梁段上缘受拉应力的作用，因此在实际工程中，应当在加劲梁主跨配置受拉钢筋或者预应力钢筋；

（3）桥梁主缆及吊索受力状态良好，其应力值都远小于设计值，有十分充足的安全储备；

（4）锚固跨支座反力为负值，因此自锚式悬索桥在设计阶段应对锚固跨进行压重设计。

参考文献：

[1].颜娟.自锚式悬索桥[J].世界桥梁,2002(1):19-22.

[2].占伟华.独塔自锚式悬索桥静力分析研究[D].西南交通大学,2008.

[3].刘春城,刘向阳,郑传杰,etal.大跨径混凝土自锚式悬索桥非线性静力分析[J].东北林业大学学报,2009,37(8):53-56.

[4].沈锐利,房凯,官快.单根吊索断裂时自锚式悬索桥强健性分析[J].桥梁建设,2014,44(6):35-39.

[5].姚登科.轻型组合桥面结构自锚式悬索桥静力行为分析[D].2016.

[6].孔超.混凝土自锚式悬索桥静力特性与极限承载力分析[D].长安大学,2013.