LiToSim中特殊边界（面面绑定和多点约束）在钢-混组合梁斜拉桥强度分析中的应用

钢-混组合梁斜拉桥通过剪力连接件（如下图所示）实现钢材与混凝土的高效协同受力，充分发挥钢材抗拉与混凝土抗压的材料互补优势，形成整体刚度高、抗震性能优的结构体系，在现代桥梁工程中具有显著的综合竞争力。

斜拉索张拉过程中，高幅值索力通过锚拉板向主梁传递，形成复杂的应力分布与变形响应。分析锚拉板及主梁的应力分布与变形响应，可针对性优化锚固区构造设计，改善应力传递路径，有效提升结构安全性与耐久性，为工程实践提供关键技术支持。

   

   

双塔斜拉桥（图片来源于网络）、剪力连接件示意图

本文对某一典型梁段进行有限元模拟，由于主梁为对称结构，可建立半结构模型。模拟过程中需准确模拟钢-混界面，在弹性阶段钢-混的协同受力可以用面-面绑定模拟。索力的传递用多点约束连接单元进行简化。  

LiToSim是一款完全自主研发，具有国际先进水平的通用CAE软件，LiToSim提供全面的绑定约束功能，支持点面、面面绑定。同时，LiToSim还支持自动识别接触对，用户可通过设定最大绑定距离、最大 法向转角及警告阈值实现接触对的自动生成，显著提升建模效率。

多点约束提供两类高级约束：多点约束-耦合和多点约束-连接。多点约束-耦合的耦合类型可选择运动耦合和连续介质耦合：运动耦合通过强制主、从点位移一致实现刚性连接；连续介质耦合基于应变协调的分布式约束，模拟连续介质行为，主节点可选择参考点或节点集，从属域兼容点集、边集及面集，提供灵活的连接定义。多点约束-连接可精准模拟节点到复杂曲面的各类结构连接行为。

将模型文件导入LiToSim，组合梁的各部件集 合模型与网格划分如下图所示，钢主梁采用三维壳单元模拟，桥面板采用三维实体单元模拟。

 

钢-混组合梁整体模型

模型中钢主梁的顶板、底板、横隔板、中腹板以及边腹板均采用共节点，不考虑相互作用。多点约束单元用于简化索力的传递，钢-混界面采用面-面绑定模拟。

 

锚拉板简化示意图

 

面-面绑定模拟钢-混界面

   

模型的边界条件设置如下图所示，在主梁的端部约束6个方向的自由度，由于模型关于YZ面对称，在对称轴面处约束UX、RY、RZ。

主梁端部约束

对称面约束

 

集中力施加

斜拉桥在索力的作用下，索力首先传递给锚拉板，锚拉板再传递给钢主梁，最后由钢主梁传递给桥面板，锚拉板与顶板的交接处受巨大索力会出现高应力区域，如下图所示，应避免应力集中，应加强并优化结构。

钢主梁vonMises应力

同时，混凝土具有较弱的抗拉性能，需要关注桥面板是否达到破坏应力，由下图桥面板vonMises应力计算结果可知，桥面板应力集中在与顶板的交接处，应优化剪力连接件的布置或提高混凝土强度。  

   

利用LiToSim进行有限元分析，能准确模拟组合梁斜拉桥钢-混界面之间的接触，预判组合梁斜拉桥在索力作用下的应力集中趋势以及变形响应规律，为实际工程结构的优化改善提供帮助。励颐拓团队秉承独立自主路线，致力于打造国产自主可控的CAE仿真软件。团队将持续关注工程中常用的特殊边界，以用户为中心，不断改进算法，提高软件能力。