悬索桥主要构件力学分析与承载能力评估

摘要

十九世纪七、八十年代，在黄河的上游地区，为了经济发展的需要，修建了一批跨黄河的悬索桥，跨度不大，200m左右。这些桥梁随着使用年限的增加，出现了一定的病害，需要对桥梁的各个关键环节进行检查，以期确定悬索桥的承载能力和维修加固方案。像这种旧的悬索桥的分析研究文章比较少。
　　目前国内很多小地方的悬索桥和索道桥使用的是滑轮连接锚固端结构，滑轮连接锚固端的钢丝绳发生了弯曲变形，弯曲处应力会增大，有必要对此锚固端进行理论计算分析，找出这种连接方式中最危险的应力作用点和破坏点，为以后的加固设计提供依据。同时，对悬索桥常用的隧洞式锚固端的连接处也进行了有限元分析计算，以期在同样的荷载作用下，对两种连接方式进行对比，选择最好的连接方式。
　　悬索桥在活荷载作用下，主缆在索鞍处会发生角度的变化，主缆在吊杆的索夹处也会发生角度变化，这些角度的改变都会引起主缆的弯曲应力，这些次应力需要计算。同时，吊杆处的索夹对主缆有夹紧力，这个夹紧力对主缆的作用效应也要考虑。
　　桥梁在长时间运营后，承载力会降低，所以对旧悬索桥承载力评估也很重要，评价桥梁承载力的最佳办法就是对桥梁进行荷载试验。本文以西北地区一座八十年代修建的跨越黄河的悬索桥为例，用最不利荷载方式加载，测试桥梁的最大承载力。同时本文中所有的计算都是以该桥为背景。主要工作包含如下:
　　(1)首先对悬索桥主缆钢丝绳的破断力进行了计算，确定主缆钢丝绳允许的最大工作负荷，同时计算了悬索桥的主缆和边索的内力。以此为基础上，继续作主缆与锚固端和主缆与索鞍及索夹的分析。
　　(2)然后对两种锚固端承载能力进行了分析，包括:滑轮连接锚固端和直接锚固端。计算了滑轮连接锚固端的刚性阻力和钢丝绳的旋转矩力。通过使用PTC Creo Parametric软件建立了滑轮连接锚固端和直接锚固端的三维模型，利用ANSYS有限元计算软件对这两种锚固端模型进行了等效应力分析，总变形分析和安全因素分析，并将这两种形式的锚固端进行了对比，得到直接锚固端比滑轮连接锚固端更好。
　　直接钢丝绳锚固端比滑轮连接锚固端结构荷载作用下更安全，维修滑轮连接锚固端时注意滑轮中心销钉处和上面的钢丝绳弯曲处结构。建议使用的结构是:直接锚固端钢丝绳。
　　(3)研究索鞍处主缆角度的变化对主缆承载力的影响，建立两种结构模型:索鞍处主缆的弯曲夹角为18°及索鞍处主缆的弯曲夹角为21°。通过使用PTC Creo Parametric建立两种索鞍与主缆的三维接触模型，利用ANSYS有限元软件来计算两种三维接触模型，包括:等效应力分析，变形分析和安全因素分析。并将两种索鞍与主缆结构模型进行对比。
　　索鞍处主缆弯曲角度为21°比索鞍处主缆弯曲角度为18°更危险，角度变化对索鞍处主缆的影响是引起等效应力和总变形的增大。索鞍处主缆弯曲角度为18°最大等效应力为562.48Mpa，索鞍处主缆弯曲角度为21°最大等效应力为683.57Mpa。索鞍处主缆弯曲角度为18°的总变形为2.8mm，索鞍处主缆弯曲角度为21°的总变形为3.32mm.。在此基础可以得出结论角度变化对索鞍处主缆有很严重的影响。
　　(4)研究索夹的夹紧力和弯曲应力对主缆的影响，首先建立跨中主缆与索夹的有限元模型，索夹在这里处于水平位置时并且假设无夹紧力;再建立索鞍旁边的第一根吊杆处的索夹与主缆模型，取夹紧力为最大10MPa，主缆倾角取18°，建立计算模型;最后建立跨中的索夹有夹紧力10MPa与主缆的模型。分别用有限元方法计算主缆和索夹的等效应力和变形，结果表明索夹有夹紧力和主缆有倾角引起索夹弯曲应力对主缆的应力和变形都有影响。
　　桥梁跨中处，在恒载作用下主缆的最大等效应力在主缆和索夹接触处等于41.75MPa索夹的最大等效应力等于37.79MPa，吊杆上最大等效应力等于35.19MPa，吊杆上的容许应力为117.10MPa。满足使用要求。
　　有夹紧力10MPa索夹倾斜18°时主缆处最大等效应力等于41.93MPa，索夹处最大等效应力等于36.68MPa。
　　有夹紧力10MPa索夹位于桥梁跨中处时主缆处最大等效应力等于45.02MPa，索夹处最大等效应力等于37.99≈38MPa。
　　以上三个结果比较可得，索夹位于桥梁跨中处有夹紧力比没有夹紧力时主缆和索夹的最大等效应力要大;有夹紧力索夹倾斜18°比索夹位于跨中时主缆和索夹的最大等效应力要小。
　　(5)通过荷载试验确定悬索桥的承载能力，一共有五种加载工况:工况1是汽-10级车辆荷载，全桥加载，主要确定主缆的极限承载力，测试了主缆钢丝绳的索力、吊杆应变和桥面竖向位移;工况2是汽-10级车辆荷载跨中加载，工况3是汽-10级车辆荷载L/4跨加载，工况2和3测试了吊杆应变、桥面竖向位移;工况4为桥面纵梁的跨中截面最大弯矩加载，工况5为桥面横梁的跨中截面最大弯矩加载，工况2和3测试了纵、横梁应变河桥面板应变。利用有限元软件计算了相应工况的应力和变形，与测试值比较，从而确定了悬索桥的承载能力。
　　桥面板跨中测点应变校验系数在0.39～0.62;板边缘测点应变校验系数在0.21～0.39，桥面板满足汽-10级荷载的通行要求。
　　工况1挠度测点的校验系数为0.94～0.96，受吊桥构造影响，反弯点附近的校验系数偏大;工况2挠度测点的校验系数为0.84～0.92;工况3挠度测点的校验系数为0.71～0.97。工况1荷载作用下，跨中最大挠度0.568m，此时吊桥跨中矢高变化值小于[△f/lp]=1/150桥梁刚度满足使用要求。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题来源及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要研究内容

2 工程背景及主缆的索力分析

2．1 工程背景

2．2 钢丝绳基本结构和捻制方式

2．3 钢丝绳承载力分析及设计方法

2．4 钢丝绳破断力

2．5 主索和边索的计算

2．6 小结

3 锚固端承载力分析

3．1 弯曲对锚固端承载力的影响分析

3．2 锚固端有限元分析

3．2．1 钢丝绳数学模型的建立

3．2．2 钢丝绳三维实体模型的建立

3．2．3 锚固端有限元分析

3．3 锚固端结构对比

3．4 小结

4 弯曲变形对缆索承载力的影响

4．1 弯曲变形对主缆索力的影响

4．2 索鞍处主缆角度变化的有限元分析

4．3 小结

5 索夹弯曲及夹紧力影响分析

5．1 吊杆恒载力计算

5．2 索夹有限元模型及计算

5．2．1 跨中处索夹恒载作用下的模型及计算

5．2．2 索夹倾斜18°有夹紧力的有限元分析

5．2．3 桥梁跨中处索夹有夹紧力的有限元分析

5．3 小结

6 悬索桥承载能力分析

6．1 悬索桥加载试验及有限元模拟

6．1．1 桥梁检测方法及测点布置

6．1．2 加载工况

6．2 试验结果分析

6．2．1 主缆钢丝绳索力测试结果及分析

6．2．2 吊杆应力测试结果及分析

6．2．3 桥梁竖向挠度测试结果及分析

6．2．4 桥面系构件的应力测试

6．3 悬索桥在荷载作用下的承载力评价

6．4 小结

结论

展望

致谢

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果