懸索橋主要構(gòu)件力學(xué)分析與承載能力評(píng)估.pdf

1、十九世紀(jì)七、八十年代，在黃河的上游地區(qū)，為了經(jīng)濟(jì)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(duì)橋梁的各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)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(huì)增大，有必要對(duì)此錨固端進(jìn)行理論計(jì)算分析，找出這種

2、連接方式中最危險(xiǎn)的應(yīng)力作用點(diǎn)和破壞點(diǎn)，為以后的加固設(shè)計(jì)提供依據(jù)。同時(shí)，對(duì)懸索橋常用的隧洞式錨固端的連接處也進(jìn)行了有限元分析計(jì)算，以期在同樣的荷載作用下，對(duì)兩種連接方式進(jìn)行對(duì)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(huì)發(fā)生角度的變化，主纜在吊桿的索夾處也會(huì)發(fā)生角度變化，這些角度的改變都會(huì)引起主纜的彎曲應(yīng)力，這些次應(yīng)力需要計(jì)算。同時(shí)，吊桿處的索夾對(duì)主纜有夾緊力，這個(gè)夾緊力對(duì)主纜的作用效應(yīng)也要考慮。
　　橋梁

3、在長時(shí)間運(yùn)營后，承載力會(huì)降低，所以對(duì)舊懸索橋承載力評(píng)估也很重要，評(píng)價(jià)橋梁承載力的最佳辦法就是對(duì)橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)。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?yàn)槔?，用最不利荷載方式加載，測(cè)試橋梁的最大承載力。同時(shí)本文中所有的計(jì)算都是以該橋?yàn)楸尘啊Ｖ饕ぷ靼缦?
　　(1)首先對(duì)懸索橋主纜鋼絲繩的破斷力進(jìn)行了計(jì)算，確定主纜鋼絲繩允許的最大工作負(fù)荷，同時(shí)計(jì)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(duì)兩種錨固端承載能力進(jìn)行了分析，包括:滑輪連接錨固端和直接錨固端。計(jì)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(jì)算軟件對(duì)這兩種錨固端模型進(jìn)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(jìn)行了對(duì)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(shí)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(duì)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(jì)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(jìn)行對(duì)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(xiǎn)，角度變化對(duì)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(duì)索鞍處主纜有很嚴(yán)重

7、的影響。
　　(4)研究索夾的夾緊力和彎曲應(yīng)力對(duì)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(shí)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(jì)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(jì)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(duì)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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)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(shí)主纜和索夾的最大等效應(yīng)力要小。
　　(5)通過荷載試驗(yàn)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(jí)車輛荷載，全橋加載，主要確定主纜的極限承載力，測(cè)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(jí)車輛荷載跨中加載，工況3是汽-10級(jí)車

10、輛荷載L/4跨加載，工況2和3測(cè)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(cè)試了縱、橫梁應(yīng)變河橋面板應(yīng)變。利用有限元軟件計(jì)算了相應(yīng)工況的應(yīng)力和變形，與測(cè)試值比較，從而確定了懸索橋的承載能力。
　　橋面板跨中測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.39～0.62;板邊緣測(cè)點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.21～0.39，橋面板滿足汽-10級(jí)荷載的通行要求。
　　工況1撓度測(cè)點(diǎn)的校驗(yàn)系