下承式钢箱系杆拱桥拱脚局部受力分析

下承式钢箱系杆拱桥拱脚局部受力分析

叶梅新,李一可

(中南大学土木建筑学院,湖南长沙410075)

摘　要:采用大型通用有限元软件ANSYS,运用有限元两步分析法,针对正在设计中的客运专线下承式钢箱系杆拱桥拱脚局部结构的局部应力分布特征及其传力特性,对该拱脚的结构构造及其细节的合理性做出了对比分析和综合评价。关键词:下承式钢箱系杆拱;拱脚;有限元;应力中图分类号:U441　文献标识码:A　文章编号:1004—5716(2007)07—0165—05

1　概述

本文所述设计中客运专线下承式钢箱系杆拱桥,矢跨比为1/4.67,拱肋中心距16m,拱轴线型采用二次抛物线;拱肋结构采用双肋平行变截面钢箱,钢箱截面宽为2m,高

拱脚处为4.5m,拱顶处3m,中间截面高按内线直插;桥面系采用纵横梁与混凝土板半结合结构体系。混凝土板宽13.4m,厚30cm,全桥共设4片纵梁,19根横梁,2×15根吊杆,5根横撑。全桥轮廓尺寸见图1。

图1　全桥轮廓图

　　②钢丝直径不均、偏小。

(3)回缩:

①夹片应力不足。②夹片纹路纹理过浅。③夹片外壁及锚环内壁光洁度不足,摩擦力过大,导致挤压力不足。5　影响因素

影响钢绞线与锚具锚固效果的因素有以下几种:(1)锥面倾角α。在一定的范围内,α越小,挤压力越大。

(2)摩擦系数f。锚环与夹片之间的摩擦力对锚环起反作用,保持接触面光滑可提高锚固性能。

(3)钢绞线与夹片的硬度。合理确定两者的相对硬度是维持咬合力的基础。

(4)夹片内螺纹。合理设计夹片内螺纹的几何尺寸,并在生产中保持其均匀性,有利于提高锚固性能,在

充分考虑锚环与夹片强度的前提下,控制与调整以上因素对设计和施工都具有十分重要的意义。6　预防措施

(1)保持预应力管道的顺畅,减少摩阻力。

(2)选用质量合格的锚具,使用前检查并剔除不合格的锚具和夹片。

(3)若锚环与夹片接触面较粗糙,涂抹黄油。7　结束语

通过对预应力施工过程中出现断丝、滑丝、回缩等故障原因的分析,及时地采取了相应的处理措施,为优质、高效地完成江溪塔大桥的施工提供保障。

参考文献:

[1]　邵容光.结构设计原理[M].人民交通出版社.[2]　范立础.桥梁工程[M].人民交通出版社.

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　　该桥梁的拱脚是该桥梁的传力关键部位之一。其拱肋、系梁、横梁和辅助横梁均为钢箱梁结构,采用Q370qD型钢材。钢箱内布有横隔板、纵向加劲肋,在系梁的横隔板上也布有加劲肋。各个板件之间通过焊接连接起来。拱脚系梁部分长10.98m、拱肋部分长

7.1m。系梁腹板每0.7m、1.0m设一加劲肋,顶底板上

每0.35m设一加劲肋,横隔板间隔1.039～1.380m不

等。拱肋腹板每0.436m设一加劲肋,顶底板上每0.35m设一加劲肋,横隔板间隔1.310～1.878m不等。拱脚局部详细尺寸如图2所示。

图2　拱脚局部尺寸图

计算方法以及有限元模型

2.1　计算方法

对于一座大型桥梁的局部受力分析要获得较为精确的数值结果,应采用两步分析法。因为结构规模较大时,全桥模型采用板壳、块体单元进行分析非常困难,甚至无法实现。全桥模型采用杆系单元建立拱肋、系梁和横梁,板壳元建立混凝土板。但全桥模型的分析结果无法反映出局部受力状况,因此采用板壳单元建立局部结构的有限元模型进行分析。局部模型受力以及约束状态受到全桥模型结果的影响,在进行局部分析时,必须先得到全桥整体分析所得的杆件内力,再根据圣维南原理将各杆件内力静力等效地加在局部模型的截断处,在局部模型上再加上相应的位移约束条件,计算可反映局部受力的应力分布情况。2.2　有限元模型

由圣维南原理可知,拱脚的局部受力特性只与邻近区域的受力状态有关,而远离拱脚区域的受力状态对拱脚处的应力分布影响很小,可忽略。因此,局部模型分析取此桥拱肋、系梁和端横梁交接的接头处作为局部分析的部位。拱肋取到9.77m处(从系梁底板到拱肋截面中心)、系梁取到15.01m处、横梁取到3.456m处、辅助横梁取到3.6m处。取此范围内的局部结构,可以较好的反映拱脚局部区域的受力特性。2　　因为拱脚为全钢结构,所以局部空间有限元模型全部采用四节点板壳单元模拟实桥拱脚的各个板件,包括:顶板、底板、腹板、横隔板和加劲肋。板壳单元具有4个节点,每个节点具有6个自由度、3个线位移与3个角位移。

简化过后的局部模型包括67700个节点,67900个单元。有限元模型如图3所示。2.3　荷载以及边界条件

局部模型边界条件均从整体模型中对应的位置提取,包括拱肋、系梁、横梁和辅助横梁的6个内力及支座反力。

在局部模型中,约束端横梁伸出端所有位移和转角,在其他的部件上则施加荷载。表1为辅助横梁、系梁和拱肋端部在局部模型整体坐标系下的内力。从整体模型中提取出的对应构件对应位置的内力互相叠加后,并将内力由整体模型中的单元局部坐标系,转换为局部模型的整体坐标系下,即得到局部模型中每个构件应施加的内力。按静力等效原则施加于各构件上。　　局部模型支座处施加大小27700kN的竖向反力,按静力等效原则均匀分布在支座区域。

表2为局部模型混凝土板对横梁的竖向作用力。其大小为整体模型中连接横梁与混凝土板链杆所受压力。端横梁和辅助横梁上混凝土重为3.9kN/m。各竖向荷载按静力等效原则均匀施加于横梁顶板上。钢构件自重为3970kN。

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图3　拱脚有限元模型表1

构件拱肋辅助横梁系梁

Fx-2.98×104-3.18×1032.47×104

辅助横梁、系梁和拱肋端部在局部模型整体坐标系下内力(单位:kN,kNm)

Fy-2.44×1041.60×1034.27×102

Fz-8.50×1012.00×103-1.14×103

Mx2.71×103-5.36×103-1.53×103

My4.40×102-2.01×103-6.21×102

Mz9.20×1029.18×1023.06×103

注:表中符号以图3中坐标系为准。

表2

构件

2.75m

2.45m-3.85×104-4.19×104

2.15m-2.26×104-2.48×104

混凝土板对横梁的竖向作用力(单位:kN)

位置

1.85m-2.16×104-2.16×104

1.55m-2.06×104-2.01×104

1.25m-2.16×104-2.16×104

0.95m-2.66×104-2.92×104

0.65m-2.91×104-4.12×104

0.35m-1.97×105-2.17×105

端横梁-9.50×103

辅助横梁-2.82×104

注:表中“位置”表示作用力位置到系梁内侧腹板距离。

图4(a)　系梁和拱肋外侧腹板应力云图(Sx)　　　　图4(b)　系梁和拱肋外侧腹板应力云图(Sy)

3　拱脚局部模型空间计算对比分析3.1　模型一

模型一中,系梁与端横梁直接相连,系梁和拱肋顶

底板均采用40mm钢板。

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系梁和拱肋内侧与端横梁和辅助横梁相连。图4为拱脚局部模型未连接横梁侧腹板应力云图,从图4可以看出,未连接横梁侧腹板大部分区域的应力都不大,应力变化梯度也不大,整体应力水平在-50～100MPa左右。最大应力不超过270MPa。　　图5为拱脚局部模型连接横梁侧腹板应力云图,从图5可以看出,连接横梁侧腹板中大部分区域的应力值都不大,各部分应力变化梯度变化也不明显。板件大部

分区域应力值都在集中在-50～100MPa之间。但是在局部位置端横梁与系梁连接的位置,出现应力集中,最大应力超过500MPa。

从图6中可以看出,系梁顶板的大部分区域的应力都在-60～100MPa之间。在系梁顶板与拱肋交接个别位置应力较大,横桥向最大应力(Sz)达到了330MPa左右,顺桥向应力(Sx)最大为355MPa。3.2　模型二图5(a)　系梁和拱肋内侧腹板应力云图(Sx)　　　　图5(b)　系梁和拱肋内侧腹板应力云图(Sy)

图6(a)　系梁顶板应力云图(Sx)　　　　　　　　图6(b)　系梁顶板应力云图(Sz)

　　从上面的计算中可以看到,端横梁与系梁的结合位

置应力集中,应力过大;系梁顶板个别位置应力较大,虽然在允许范围内,但不太理想。因此模型二采用如下设置:

(1)在端横梁与系梁的结合处设置4块弧形加劲肋,分别设置在端横梁两侧的顶板与底板上。

(2)将系梁顶板由40mm加厚到60mm。

图7为设置加劲肋内侧腹板应力云图。从图中可以看出,腹板应力分布较为均匀,应力整体水平维持在-100～100MPa之间。虽然在端横梁和系梁结合位置

应力仍大于周围位置,但是其受力有了显著的改善,最大应力不到300MPa。　　图8为加厚系梁顶板应力云图。从图中可以看出,顶板的应力分布形式没有明显的变化,在个别位置仍然较其周边高出很多,但是其应力最大值由明显的降低,最大应力不超过300MPa,达到较为理想的应力范围。4　结论

通过以上分析、计算结果表明:

　　(1)端横梁与系梁之间的加劲肋可以大幅度的减小系梁腹板与横梁连接处的应力,其幅度接近40%。

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图7(a)　设置加劲肋内侧腹板应力云图(Sx)　　　　　　　　图7(b)　设置加劲肋内侧腹板应力云图(Sy)

图8(a)　加厚系梁顶板应力云图(Sx)　　　　　　图8(b)　加厚系梁顶板应力云图(Sz)

　　(2)系梁顶板加厚后减小了其应力水平,幅度为

14%左右,但应力分布改变不大。

(3)拱脚应力满足设计强度要求,受力合理、均匀,传力顺畅。

参考文献:

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[6]　马坤全.V形刚构组合拱桥拱脚空间应力分析[J].世界桥

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(SchoolofCivilandArchitecturalEngineering,CentralSouthUniversity,ChangshaHunan410075,China)

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Abstract:ThepaperAnalyzethestressdistributionandthepass2ingforceofthearchfootingbyusingtow2stepanalysismethodincommonsoftwareANSYS.Andtherationalityandthereliabilityofthestructureisappraised.

Keywords:throughsteel2boxtie2bararch2bridge;archfooting;finiteelement;stress

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