懸索橋主要構(gòu)件力學分析與承載能力評估.pdf

1、十九世紀七、八十年代，在黃河的上游地區(qū)，為了經(jīng)濟發(fā)展的需要，修建了一批跨黃河的懸索橋，跨度不大，200m左右。這些橋梁隨著使用年限的增加，出現(xiàn)了一定的病害，需要對橋梁的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行檢查，以期確定懸索橋的承載能力和維修加固方案。像這種舊的懸索橋的分析研究文章比較少。
　　目前國內(nèi)很多小地方的懸索橋和索道橋使用的是滑輪連接錨固端結(jié)構(gòu)，滑輪連接錨固端的鋼絲繩發(fā)生了彎曲變形，彎曲處應(yīng)力會增大，有必要對此錨固端進行理論計算分析，找出這種

2、連接方式中最危險的應(yīng)力作用點和破壞點，為以后的加固設(shè)計提供依據(jù)。同時，對懸索橋常用的隧洞式錨固端的連接處也進行了有限元分析計算，以期在同樣的荷載作用下，對兩種連接方式進行對比，選擇最好的連接方式。
　　懸索橋在活荷載作用下，主纜在索鞍處會發(fā)生角度的變化，主纜在吊桿的索夾處也會發(fā)生角度變化，這些角度的改變都會引起主纜的彎曲應(yīng)力，這些次應(yīng)力需要計算。同時，吊桿處的索夾對主纜有夾緊力，這個夾緊力對主纜的作用效應(yīng)也要考慮。
　　橋梁

3、在長時間運營后，承載力會降低，所以對舊懸索橋承載力評估也很重要，評價橋梁承載力的最佳辦法就是對橋梁進行荷載試驗。本文以西北地區(qū)一座八十年代修建的跨越黃河的懸索橋為例，用最不利荷載方式加載，測試橋梁的最大承載力。同時本文中所有的計算都是以該橋為背景。主要工作包含如下:
　　(1)首先對懸索橋主纜鋼絲繩的破斷力進行了計算，確定主纜鋼絲繩允許的最大工作負荷，同時計算了懸索橋的主纜和邊索的內(nèi)力。以此為基礎(chǔ)上，繼續(xù)作主纜與錨固端和主纜與索鞍

4、及索夾的分析。
　　(2)然后對兩種錨固端承載能力進行了分析，包括:滑輪連接錨固端和直接錨固端。計算了滑輪連接錨固端的剛性阻力和鋼絲繩的旋轉(zhuǎn)矩力。通過使用PTC Creo Parametric軟件建立了滑輪連接錨固端和直接錨固端的三維模型，利用ANSYS有限元計算軟件對這兩種錨固端模型進行了等效應(yīng)力分析，總變形分析和安全因素分析，并將這兩種形式的錨固端進行了對比，得到直接錨固端比滑輪連接錨固端更好。
　　直接鋼絲繩錨固端比滑

5、輪連接錨固端結(jié)構(gòu)荷載作用下更安全，維修滑輪連接錨固端時注意滑輪中心銷釘處和上面的鋼絲繩彎曲處結(jié)構(gòu)。建議使用的結(jié)構(gòu)是:直接錨固端鋼絲繩。
　　(3)研究索鞍處主纜角度的變化對主纜承載力的影響，建立兩種結(jié)構(gòu)模型:索鞍處主纜的彎曲夾角為18°及索鞍處主纜的彎曲夾角為21°。通過使用PTC Creo Parametric建立兩種索鞍與主纜的三維接觸模型，利用ANSYS有限元軟件來計算兩種三維接觸模型，包括:等效應(yīng)力分析，變形分析和安全因素

6、分析。并將兩種索鞍與主纜結(jié)構(gòu)模型進行對比。
　　索鞍處主纜彎曲角度為21°比索鞍處主纜彎曲角度為18°更危險，角度變化對索鞍處主纜的影響是引起等效應(yīng)力和總變形的增大。索鞍處主纜彎曲角度為18°最大等效應(yīng)力為562.48Mpa，索鞍處主纜彎曲角度為21°最大等效應(yīng)力為683.57Mpa。索鞍處主纜彎曲角度為18°的總變形為2.8mm，索鞍處主纜彎曲角度為21°的總變形為3.32mm.。在此基礎(chǔ)可以得出結(jié)論角度變化對索鞍處主纜有很嚴重

7、的影響。
　　(4)研究索夾的夾緊力和彎曲應(yīng)力對主纜的影響，首先建立跨中主纜與索夾的有限元模型，索夾在這里處于水平位置時并且假設(shè)無夾緊力;再建立索鞍旁邊的第一根吊桿處的索夾與主纜模型，取夾緊力為最大10MPa，主纜傾角取18°，建立計算模型;最后建立跨中的索夾有夾緊力10MPa與主纜的模型。分別用有限元方法計算主纜和索夾的等效應(yīng)力和變形，結(jié)果表明索夾有夾緊力和主纜有傾角引起索夾彎曲應(yīng)力對主纜的應(yīng)力和變形都有影響。
　　橋梁跨

8、中處，在恒載作用下主纜的最大等效應(yīng)力在主纜和索夾接觸處等于41.75MPa索夾的最大等效應(yīng)力等于37.79MPa，吊桿上最大等效應(yīng)力等于35.19MPa，吊桿上的容許應(yīng)力為117.10MPa。滿足使用要求。
　　有夾緊力10MPa索夾傾斜18°時主纜處最大等效應(yīng)力等于41.93MPa，索夾處最大等效應(yīng)力等于36.68MPa。
　　有夾緊力10MPa索夾位于橋梁跨中處時主纜處最大等效應(yīng)力等于45.02MPa，索夾處最大等效應(yīng)力

9、等于37.99≈38MPa。
　　以上三個結(jié)果比較可得，索夾位于橋梁跨中處有夾緊力比沒有夾緊力時主纜和索夾的最大等效應(yīng)力要大;有夾緊力索夾傾斜18°比索夾位于跨中時主纜和索夾的最大等效應(yīng)力要小。
　　(5)通過荷載試驗確定懸索橋的承載能力，一共有五種加載工況:工況1是汽-10級車輛荷載，全橋加載，主要確定主纜的極限承載力，測試了主纜鋼絲繩的索力、吊桿應(yīng)變和橋面豎向位移;工況2是汽-10級車輛荷載跨中加載，工況3是汽-10級車

10、輛荷載L/4跨加載，工況2和3測試了吊桿應(yīng)變、橋面豎向位移;工況4為橋面縱梁的跨中截面最大彎矩加載，工況5為橋面橫梁的跨中截面最大彎矩加載，工況2和3測試了縱、橫梁應(yīng)變河橋面板應(yīng)變。利用有限元軟件計算了相應(yīng)工況的應(yīng)力和變形，與測試值比較，從而確定了懸索橋的承載能力。
　　橋面板跨中測點應(yīng)變校驗系數(shù)在0.39～0.62;板邊緣測點應(yīng)變校驗系數(shù)在0.21～0.39，橋面板滿足汽-10級荷載的通行要求。
　　工況1撓度測點的校驗系