海上拉索體系結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

劉盾

（中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094）

1 結(jié)構(gòu)體系及構(gòu)造特點

拉索塔式海上平臺和斜拉橋是海上拉索體系中的典型代表，拉索體系布置因其關(guān)鍵受力部件斜拉索的使用強(qiáng)度高、壽命長、受力均勻、整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定而著名。拉索塔式海上平臺是固定式海上平臺的一種，是一種采用繃?yán)K(或鋼索)與海底的基床相連來固定的海上平臺。豎直的塔形結(jié)構(gòu)自海底豎出海面,頂端是甲板,周邊有繃?yán)K或鋼索向外拉開以固定平臺整體。特點是具有較大的柔性, 作用在這樣結(jié)構(gòu)上的波浪荷載小于同樣海況下的剛性支承結(jié)構(gòu)。斜拉橋方面，以上海某跨海斜拉橋為例，斜拉索采用空間扇形雙索面布置形式，結(jié)構(gòu)外形獨(dú)特，索塔錨固按照鋼錨箱的方式，用剪力鍵(剪力釘)將鋼錨箱連接到混凝土塔上，使兩者一起受力。斜拉索的布置顯著增強(qiáng)鋼橋結(jié)構(gòu)耗散能力，從而減小橋體結(jié)構(gòu)受到的沖擊力和造成的非良性位移。[1]

2 有限元仿真

本文以某海上斜拉橋為研究對象，使用一系列具有分部質(zhì)量和剛度的離散單元來建立三維整體有限元模型，其中斜拉索采用空間桿單元Link10 模擬，該單元只拉不壓，若Link10 受壓，則剛度消失，恰好滿足模擬斜拉索的松弛的需要。同時考慮到拉索本身固有的自重和初始應(yīng)力，其非線性行為在有限元分析計算中不可忽視，因此依據(jù)等效彈性模量法對斜拉索的彈性模量進(jìn)行折減運(yùn)算。

共有192 條斜拉索，取四分之一進(jìn)行建模則建立需48 條斜拉索。在拉索與梁連接構(gòu)件索錨的位置依次建立48 個節(jié)點，設(shè)置魚骨刺單元材料屬性，并分別連接到主梁的相應(yīng)位置上，建立魚骨刺單元；在拉索與塔連接構(gòu)件索錨的位置依次建立48 個節(jié)點，設(shè)置魚骨刺單元材料屬性，并分別連接到主塔的相應(yīng)位置上，建立魚骨刺單元；選擇拉索單元類型，逐個分別設(shè)置其材料屬性和實常數(shù)，分別連接到梁上錨索與塔上錨索上，建立拉索單元。

3 車載作用下內(nèi)力分析

因本次課題采取的簡化建模的方式，將主梁簡化為線形單元，因此無法按照原橋面進(jìn)行分車道加載，故而將原六車道的車輛數(shù)據(jù)按照上行以下行分為兩類。同時發(fā)現(xiàn)，最小車輛軸距1.3m 相對于原建模時按橫隔板劃分的主梁節(jié)點間距3.72m 相比過小，故需將主梁節(jié)點間距縮小，即劃分更多的節(jié)點，選擇劃分長度擬定為0.1m。

具體操作步驟如下：（1）選擇主梁上非同一橫隔板的相鄰兩個節(jié)點，刪除兩節(jié)點之間原本建立的梁單元模塊，測得兩節(jié)點間距后乘以十并取整，所得數(shù)字則為需要重新劃分建立的節(jié)點數(shù)；（2）在原兩節(jié)點之間填充上述劃分節(jié)點數(shù)，依次連接，重新建立新的主梁單元；（3）重新加載二期恒載。[2]本文將大橋分為17 個載荷步(即16 段)來進(jìn)行加載，全橋長(1430m)減去最長等效軸距(14m)后，每段長為88.5m，同時將載荷步編號為B1-B17。加載操作如下：（1）從B1 載荷步開始，先刪除上個載荷步(若有)所加載的車輛軸重，選擇所有主梁單元，若上行，則選擇東側(cè)主梁，選取x 坐標(biāo)708m 處開始，每個載荷步向北移動88.5m，下行反之；（2）根據(jù)求出的等效軸距，求得每個軸所在位置，選擇軸處0.3m 范圍內(nèi)的節(jié)點，得到范圍內(nèi)節(jié)點數(shù)（一般為三個節(jié)點），每個節(jié)點各加載對應(yīng)軸等效軸重除以節(jié)點數(shù)；（3）從B1 到B17，每個載荷步都需要進(jìn)行求解一次，并分別計算每個載荷步梁和塔上x、y、z軸方向上的力和彎矩，以及拉索的軸向力和軸向應(yīng)力，提取數(shù)據(jù)并保存在文本文件中；（4）A1-A5 五類車輛，結(jié)合上下行兩種車道，我們一共建立了10 種疲勞車輛載荷模型，需分別加載計算，故按照順序以上(1)～(3)步需重復(fù)10 遍。

由于上行下行共有10 種模型車輛，每種車輛有17 個載荷步，每個載荷步又有對應(yīng)的梁、塔、拉索的內(nèi)力數(shù)據(jù)，因而數(shù)據(jù)量較多，在此僅選取上行車輛數(shù)據(jù)并提取拉索內(nèi)力的最大及最小值。而在車輛作用下引起的疲勞累積損傷而造成斜拉橋主梁的靜力失效，通常是由于關(guān)鍵截面彎矩過大而引起的強(qiáng)度失效，故下面只列出部分關(guān)鍵點的內(nèi)力分布，分別選取跨中處和距跨中四分之一橋長處，見表1。

由表1 可以看出，不同模型車輛加載在跨中處和距跨中四分之一橋長處時，拉索內(nèi)力大致不發(fā)生改變，只有輕微增長，主要因為內(nèi)力由眾多拉索分擔(dān)，平均到每根拉索上的內(nèi)力變化不大。同時在距跨中四分之一橋長處內(nèi)力略小于跨中處，這顯然是因為跨中處離塔較遠(yuǎn)，受力分析不難發(fā)現(xiàn)此時拉索受力要大于距跨中四分之一橋長處。如圖1、圖2。此外影響拉索內(nèi)力的因素很多，對于長索，主要影響因素是垂度；對于短索，由于受剛度影響的部分占自身的比例較大，因此抗彎剛度對短索的影響較大。[3]

圖1 1/4 處拉索軸向力和軸向應(yīng)力

圖2 跨中處拉索軸向力和軸向應(yīng)力

表1 拉索內(nèi)力

4 總結(jié)與展望

本文以海上拉索建筑-斜拉橋為研究對象，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS 建立了三維有限元模型，對橋梁進(jìn)行動力特性及內(nèi)力分析。

4.1 運(yùn)用ANSYS 軟件建立完整模型，并劃分有限元分析單元。

4.2 在考慮自重后，計算出二期恒載及車輛荷載數(shù)值，后根據(jù)自重分析確定出車輛恒載所加的相應(yīng)位置，運(yùn)用ANSYS 計算獲得拉索的內(nèi)力及拉索軸向力和軸向應(yīng)力。

從分析結(jié)果中看，在不同模型加載下，拉索內(nèi)力不發(fā)生較大改變，主要因為內(nèi)力由眾多拉索分擔(dān)，平均到每根拉索上的內(nèi)力變化不大。本文僅考慮了自重恒載以及汽車荷載的影響，實際中尚需考慮諸如風(fēng)載荷、潮汐、地震等影響。拉索塔式海上平臺，其鋼索結(jié)構(gòu)特點相比本文研究對象更為復(fù)雜，受力情況特殊，可以作為后續(xù)研究的重點研究對象。