斜拉桥曲线钢桥塔稳定性能研究

斜拉桥曲线钢桥塔具有线型较为复杂、整体长细比较大、整体结构均由薄壁构件组成等特点,其稳定性已成为结构设计的关键控制因素。为了研究曲线钢桥塔在自重、缆索系统传来的桥梁上部结构恒载以及汽车荷载等主要竖向荷载作用下的稳定性,进一步明确钢桥塔建模的单元类型选择、失稳模态和受力特征,以一座跨径布置为(200+200) m的曲线形钢塔斜拉桥为研究对象,采用ANSYS通用有限元软件对钢桥塔分别建立空间杆系单元模型和空间板壳单元模型,对其稳定性进行数值仿真计算与分析,得到弹性状态下的失稳模态和失稳临界荷载,以及计入非线性因素影响后的极限承载力、极限承载力状态下的应力分布和结构变形。空间杆系单元模型采用Beam4单元将斜拉桥主梁模拟为鱼骨刺模型,采用Link 10单元模拟拉索并施加初始张拉力,采用Beam 188单元模拟桥塔。空间板壳单元模型中,主梁和拉索的模拟方式与杆系单元模型相同,桥塔则采用Shell 143单元按实际构造进行模拟。桥塔所用Q345钢材的材料非线性模拟采用多线性随动强化模型,并取第一类稳定分析中得到的一阶屈曲模态作为结构初始几何缺陷的形状。计算可得:1)采用空间杆系单元模型算得的桥塔第一类稳定安全系数为94.51,计入双重非线性和结构初始缺陷影响的第二类稳定安全系数为19.89。采用空间板壳单元模型算得的桥塔第一类稳定失稳模态首先表现为壁板局部的面外屈曲,对应的稳定安全系数为25.15,发生整体失稳时对应的稳定安全系数为61.42; 2)第二类稳定最小安全系数为12.90,失稳模态表现为局部失稳,桥塔外壁和加劲肋的应力及弹性应变集中区域主要位于拉索中部区域,桥塔内部的加劲肋、中腹板和横隔板构件的应力与弹性应变集中区域主要位于拉索处的横隔板,桥塔内部塑性应变主要集中于横隔板的拉索锚固区域。板壳单元模型算得的钢桥塔两类失稳模态均表现为局部屈曲,对应的屈曲荷载特征值远小于整体失稳对应的屈曲荷载特征值,进行稳定安全性判断时需重点关注壁板、塔内拉锚索区等关键部位的受力和变形情况。