范例04线性静力主塔索鞍的详细分析.doc

1. 概要 矮塔斜拉桥主塔采用索鞍可以避免斜拉索在该处进行锚固而且可以有效地减少斜拉索张拉力的损失，因此使用比较广泛。但是在该处由于拉索向下的作用力以及自重等荷载，也会在截面不连续的区域产生复杂的应力集中现象。 本资料针对主塔的索鞍处，采用三维实体单元进行了仿真分析，对于该处的拉应力集中现象、是否会出现裂缝以及是否会发生受压破坏等进行了分析。 1.1 容许应力 新公路规范7.2节中对于钢筋混凝土构件短暂状况下的应力大小要求如下： 混凝土正截面压应力≤0.80fck′ 混凝土主拉应力≤ftk′ 受拉钢筋的应力≤0.75fsk 1.2 主塔鞍座处详细分析事项 对于主塔鞍座处的断面不连续区域主要分析其在拉索的向下分力和自重作用下的以下响应。 鞍座处的纵桥向、横桥向以及竖向的应力 拉索锚固区域的开裂应力验算以及相关的钢筋配筋计算 拉索锚固区域的挤压应力以及相关的钢筋配筋计算 2. 结构信息 2.1 鞍座形状 分析对象为矮塔斜拉桥的主塔，主塔内部穿过两个索面的拉索，每侧由六根拉索组成，具体构造如见下图所示。 2.2 使用材料和尺寸 主塔使用混凝土为40Mpa混凝土，钢筋使用HRB400，拉索采用钢铰线 15.2mm-37EA，具体参数如下。 区分 单位重量 弹性模量 (E) 屈服强度 (MPa) 抗拉强度 (MPa) 混凝土 25 kN/m3 3.625E4 Mpa 2.89 钢筋 78.5 kN/m3 2.0E5 Mpa 400 拉索 78.5 kN/m3 1.95E5 Mpa 1860 3. 模型 3.1 分析模型 本例题使用详细分析专用软件midas FEA进行，考虑鞍座和主塔的受力特点使用了实体单元建模。 两侧拉索的间距为0.9m，主塔的中间部分宽厚高为4.8mX1.3mX13.0m，主塔的两侧由两个反向对称的翼型结构构成，整个主塔的外轮廓尺寸为宽厚高6.0mX2.0mX14.8m。 3.2 边界条件 主塔的最下端因与主梁固接，故按固接边界条件处理。 3.3 荷载 (1) 恒荷载 混凝土的容重为25kN/m3 ，自重由程序自动计算。 (2) 拉索的竖向荷载 对于拉索的张力假设达到了容许拉应力，以此作为外力条件考虑。将拉索的竖向分力计算出来，给鞍座处受拉索压力的单元节点施加了向下的节点荷载。 各拉索张力作用下的荷载计算如下。 拉索锚固 位置 C1 C2 C3 C4 长度 (m) 4.869 4.882 4.9 4.926 角度 (deg) 13.732 14.917 16.48 18.634 Sin(deg) 0.237 0.257 0.284 0.320 竖向力 (kN) 25.916 28.316 31.466 35.774 4. 分析结果 在自重和拉索引起的竖向力作用下主塔以及鞍座的应力分布状况如下。 4.1 拉应力结果 从分析结果上看，整个结构基本处于压应力状态，只有在一些拉索的锚固处出现部分拉应力。 横桥向应力 (MPa) 纵桥向应力 (MPa) 竖直方向应力 (MPa) 产生最大拉应力处的剖断面图 1) 各方向最大拉应力 位置 拉应力(MPa) 容许应力(MPa) 验算 纵桥向 0.302 2.89 O.K. 横桥向 0.888 2.89 O.K. 竖直方向 0.343 2.89 O.K. 4.2 开裂应力验算 对于拉索锚固区域的开裂与否进行了确认。下图所示为锚固区域周边(Φ=267.4mm)产生的拉应力。 纵桥向应力 (MPa) 横桥向应力 (MPa) 锚固区域周边节点产生的拉应力值如下。 1) 纵桥向 节点号 2543 2501 2516 2510 2523 2531 平均应力 应力(kN/m2) 60.32 130.12 102.43 3.32 127.82 101.61 87.604 2) 横桥向 节点号 2543 2501 2516 2552 2523 2531 平均应力 应力(kN/m2) 888.24 664.85 334.58 285.10 312.55 319.85 467.528 对于拉索锚固孔周围的应力按各方向分别计算单位长度(m)的拉力可得，纵桥向为87.604 X 0.84 X 1.0 = 73.59kN，横桥向为467.53 X 0.84 X 1.