基于Abaqus的悬索桥主索鞍应力分析

□文/王洪龙 李 佶

主索鞍是悬索桥索塔顶端支撑主缆的重要部件，作用是将主缆的巨大竖向压力均匀传至索塔上，同时也可使主缆平缓地在塔顶过渡，减小由主缆方向改变造成的弯曲应力并形成优美的主缆线形[1～2]。

主索鞍不只要承受主缆对承缆槽的竖向压力荷载，同时还要承受由主缆挤压产生的侧向压力，承缆槽与主缆索股之间是空间曲面接触，索鞍结构处于复杂的空间受力状态中。主索鞍的纵肋用于抵抗竖向压力荷载，承缆槽侧壁和横肋用于抵抗侧向压力荷载[3]。

1 工程概况

某桥结构较为新颖，是自锚式悬索斜拉协作体系，双索面布置。主梁采用钢梁，桥塔采用门式桥塔，梁体竖向荷载由斜拉索、缆索承担，主梁水平力由主梁抵抗。主跨为450 m，主缆横向布置2根，垂跨比1/14，主缆采用68股通长索股组成，每股为127丝直径5.0 mm平行钢丝索股。主索鞍长3 m、宽2.4 m、高2.08 m，见图1。

图1 主索鞍构造

先将鞍槽内的索股及隔板就位并调股，然后用锌块填满，再用拉杆将鞍槽侧壁拉紧。在鞍体下面设置聚四氟乙烯滑板以减轻摩擦力，更好地适应施工中的相对位移。为方便吊装，主索鞍分为两部分制造，吊装就位后再用高强螺栓联成整体。

2 抗滑验算

根据《公路悬索桥设计细则》（征求意见稿）12.3.3条，主缆抗滑安全系数K应满足

式中：μm为主缆与槽底或隔板间的摩擦因数，一般取0.2；αs为主缆在鞍槽上的包角，rad；Fct为主缆紧边拉力，N；Fcl为主缆松边拉力，N。

根据主索鞍设计图纸及全桥纵向受力分析，主缆在鞍槽上的包角为0.483 rad，主缆紧边拉力为12 543 kN，主缆松边拉力为12 181 kN，将数据代入式（1）可得K=3.30，所以该桥的主缆抗滑满足要求。由于垂跨比、包角均较小，建议采用构造措施，如压紧装置增加摩擦力。

3 有限元分析

主索鞍构件是一个复杂的三维受力空间结构，鞍槽部分受到主缆索股的向心压力、主缆索股的侧向压力及侧向压力产生的弯矩等，因此空间有限元分析计算方法的应用在索鞍构件的设计时是必要的[4]。通过空间有限元分析，可对索鞍构件整体的应力水平有一个宏观的把握，可对索鞍构件中各个板件布置的合理性有一个综合的评价。

3.1 加载方式

缆力对鞍体作用力的模型见图2，纵向按单位长度计。

图2 鞍槽受力图式

式中：fsr为索鞍上各列索股的向心压力，N/mm；Fc为主缆力，取边跨缆力和中跨缆力中的较大值，N；n为该列索股根数；ns为单根主缆中索股总数；rv为承缆槽圆弧半径，mm。

最高索股顶至h处的侧向压力

式中：μ为钢丝间摩擦系数，一般取0.15；b为槽路宽度，mm；fv为中央列索股单位体积竖向力，N/mm3。

式中：nSC为中央列索股股数；H为中央列索股总高度，mm。

根据以上公式可以计算得承缆槽底面和侧面的压力，然后加载到Abaqus模型中。

3.2 模型概况

首先用三维绘图工具将索鞍模型绘制出来，然后导入到Abaqus中。网格以实体单元划分，模型共计133 278个C3D10（三维十节点四面体）单元，见图3。

图3 主索鞍计算模型

3.3 计算结果分析

计算结果给出鞍座和应力云图和各部分应力最值数据，由于索鞍由铸钢材料制作且处于复合压应力作用环境下，因此取Von-Mises应力进行分析。

以两种最不利工作状态分别计算：在空缆缆力作用下未安装拉杆；在最大缆力作用下张紧侧壁拉杆。计算结果见图4和图5。

图4 空缆缆力作用下索鞍鞍体应力

图5 最大缆力作用下索鞍鞍体应力

高应力区主要出现承缆槽底部与纵肋连接部位以及纵肋与底板连接部位。见表1。

表1 Mises应力最大值 MPa

从表1可以看出，该桥主索鞍的应力结果分布较为均匀，相比于鞍体铸钢部分容许应力还有相当的安全储备。

4 结语

经过分析发现，索鞍高应力区集中在索鞍各部件的连接部位。本计算主索鞍构件受力符合规范要求，但安全储备较大，各板件厚度仍有优化空间。可见，虽然索鞍构件是一个受力复杂的三维空间结构，但在合理设置各个板件情况下，索鞍受力可以达到比较理想的效果。