本文由Wang Hao、Li Aiqun、Guo Tong和Ma Shuang等研究人员撰写，隶属于Southeast University（东南大学）土木工程学院。文章发表于《Science in China Series E: Technological Sciences》2009年4月第52卷第4期（页码1019-1026）。
悬索桥以其美学性、结构效率及经济性备受青睐，尤其是随着设计方法学及施工技术的快速发展，其应用在全世界范围内愈加普遍。在中国，已有多座知名悬索桥，包括青马大桥（主跨1377米）、江阴长江大桥（主跨1385米）以及润扬长江大桥（Runyang Suspension Bridge，RSB，主跨1490米），其中RSB更是中国最长、世界第三长的悬索桥。
悬索桥因整体柔性较大、结构阻尼低，对动态载荷（如交通、风、地震）较为敏感。超长跨径与纤薄钢箱梁的趋势也加剧了结构行为对动态载荷的脆弱性。因此，为了减小中跨度短吊索的弯曲及断裂现象，同时抑制主梁的位移响应，RSB首次在中国悬索桥的中跨引入刚性中央扣（Rigid Central Buckle）以替代短吊索，具有重要的工程意义。此研究旨在通过子模型方法（Submodel Method），对RSB中央扣的机械性能进行准确应力分析。
研究总体设计
为了分析RSB中央扣结构的应力分布，研究流程分三步进行：（1）建立全桥有限元模型；（2）针对中央扣建立精细子模型；（3）利用子模型方法进行应力分析，同时通过现场实测数据验证计算结果的准确性与可靠性。
全桥有限元模型的构建
基于ANSYS软件建立了RSB的三维有限元整体模型。主桥塔、主梁、主缆、吊索等构件分别通过梁单元、壳单元及三维弹性杆单元仿真。此外，通过耦合不同方向的位移与转动自由度，将桥梁关键部件相连接。
由于全桥模型网格较粗，中央扣的应力准确性难以保证，进一步需要采用子模型方法解决。
中央扣精细子模型的构建
根据设计图纸对中央扣建立准确的有限元子模型，包含各细部构件如缆夹、竖向与斜向构件、上下桥面板、横隔板等。该子模型的网格密度显著高于整体模型，特殊区域如应力集中区域的网格进一步加密。最终模型包含36785个单元，其网格精度满足桥梁现场测量的验证。
子模型分析方法
子模型方法关键在于将整体模型与子模型连接：（1）通过全桥模型获取整体结构位移响应；（2）将提取的整体模型边界位移施加至子模型对应节点；（3）根据不同工况加载（如车辆荷载被简化为集中力）；（4）完成子模型应力计算，后续通过ANSYS的后处理模块（Post1）获取结果。此过程遵循Saint-Venant原理，确保子模型尺度足够大以得出可靠的应力值。
现场实测验证
为了验证计算结果及了解结构实际行为，RSB于2005年1月进行桥梁载荷测试。此次测试使用300kN车辆荷载，模拟不利工况并测量中央扣在多种车辆布置下的应力响应。测试中选择52辆车作为加载工具，通过荷载位置变化模拟共计8种工况，并在中央扣竖向与斜向构件共布置22个测点进行应力测量。
斜向构件的应力分布
子模型分析与现场实测结果显示，RSB中央扣斜向构件整体应力水平较低，最大实测应力仅为44.39MPa，计算值最高为51.33MPa（测点20）。内侧应力普遍高于外侧，应力分布不均匀。
竖向构件的应力分布
竖向构件应力相较斜向构件更高，最大计算值为58.04MPa（测点13），但仍明显低于钢材的极限强度。由于竖向构件主要承受轴力，其应力分布较均匀，内侧应力略高于外侧。
计算与实测结果的比较
大部分计算值与实测值接近，但在少数测点如15号（工况5）、6号（工况2）存在较大偏差，原因包括实际结构与设计图纸的差异、有限元网格分布的误差、外界环境因素及量测精度等。不利工况下整个中央扣的应力水平较低，证明该结构在车辆荷载作用下的安全性。
研究结论
子模型方法可准确分析超长跨悬索桥刚性中央扣的应力分布，现场实测验证了其可靠性与有效性。中央扣在车辆荷载下的最大计算应力不足58.04MPa，符合安全设计要求。此外，竖向构件内侧应力较高，设计时需重点关注。
科学与工程价值
本研究为长跨悬索桥中央扣的设计与结构分析提供了有效的理论参考，推动了子模型方法在大型复杂结构分析中的应用，同时明确了RSB的机械性能特点，对维护与养护工作也具有重要指导意义。
本文系统开展了刚性中央扣的应力分析研究，展示了子模型方法在复杂工程结构中的潜力及广阔应用前景，尤其是在桥梁设计、现场测量及安全性能评估等领域具有重要价值。