楊 武， 姚文娟， 劉小渝

(1.上海大學(xué) 土木工程系， 上海 200072； 2.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 重慶 400074)

拱橋施工若受到地形、地質(zhì)條件及交通等因素影響時(shí)，常采用轉(zhuǎn)體施工的方法[1～3]。針對(duì)我國西南山嶺重丘區(qū)山高谷深、U形和V形河谷眾多的特定地形、地質(zhì)條件，周志祥教授提出了對(duì)鋼-混凝土組合拱橋及放張式豎轉(zhuǎn)施工技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化[4，5]。轉(zhuǎn)動(dòng)鉸是連接拱橋拱座與拱肋的臨時(shí)施工構(gòu)造措施，在放張式豎轉(zhuǎn)合攏過程中，轉(zhuǎn)動(dòng)鉸是全橋轉(zhuǎn)體施工成功與否的關(guān)鍵，因此，研究轉(zhuǎn)動(dòng)鉸的構(gòu)造和受力性能是很有意義的。本文結(jié)合重慶萬盛區(qū)藻渡大橋[6～8]，利用有限元方法得到了拱腳轉(zhuǎn)動(dòng)鉸節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力場及容易出現(xiàn)塑性流動(dòng)或蠕變的區(qū)域，并選取作用力F、鋼板厚度t及軸孔直徑D三種參數(shù)進(jìn)行參數(shù)分析，得到各參數(shù)與著力方向上最大計(jì)算應(yīng)力值產(chǎn)生點(diǎn)到軸孔著力點(diǎn)的距離l的關(guān)系。

1 工程概況

重慶萬盛區(qū)藻渡大橋位于重慶市萬盛區(qū)關(guān)壩鎮(zhèn)，藻渡大橋首次采用豎轉(zhuǎn)鋼-混凝土組合拱橋新技術(shù)，為西部科研項(xiàng)目“豎轉(zhuǎn)鋼-混凝土組合拱橋”的依托工程之一。本橋主拱為鋼-混凝土組合懸鏈線雙肋拱，上部結(jié)構(gòu)為凈跨75 m，凈矢高12.5 m，矢跨比1/6，拱軸系數(shù)1.756，上部轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)重量為120 t。鋼箱拱肋內(nèi)分區(qū)段澆筑混凝土，拱腳區(qū)段滿填混凝土，拱腳轉(zhuǎn)動(dòng)鉸采用16Mn鋼，由上座、下座和轉(zhuǎn)軸三部分組成(圖1)。

圖1 萬盛藻渡大橋轉(zhuǎn)動(dòng)鉸構(gòu)造

2 轉(zhuǎn)動(dòng)鉸有限元模型

轉(zhuǎn)動(dòng)鉸各組成部件的受力性能有所不同。對(duì)于上、下座，主要考慮開孔鋼板局部受壓的強(qiáng)度要求；對(duì)于轉(zhuǎn)軸，則主要考慮貝雷銷或者鋼管混凝土構(gòu)件的抗剪切的強(qiáng)度要求。

為了研究轉(zhuǎn)動(dòng)鉸的力學(xué)性能，建立正確的有限元力學(xué)計(jì)算模型[9，10]，根據(jù)以下原則對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定簡化：

(1)由于結(jié)構(gòu)構(gòu)造和受力的對(duì)稱性，取半結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析；

(2)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸下座的受力較上座更為不利，故僅建立轉(zhuǎn)動(dòng)鉸下座與轉(zhuǎn)軸的實(shí)體模型，且忽略轉(zhuǎn)軸及下座的附屬受力構(gòu)件；

(3)直接將作用力施加在轉(zhuǎn)動(dòng)鉸下座鋼板之間的轉(zhuǎn)軸區(qū)域，考慮轉(zhuǎn)動(dòng)鉸下座與轉(zhuǎn)軸之間的接觸，以吻合實(shí)際施工狀態(tài)。

通過以上簡化，采用ANSYS有限元軟件建立轉(zhuǎn)動(dòng)鉸計(jì)算模型如圖2所示。模型中定義接觸對(duì)中轉(zhuǎn)動(dòng)軸接觸面為剛性目標(biāo)面，采用conta170單元模擬；定義轉(zhuǎn)動(dòng)鉸下座接觸面為柔性接觸面，采用conta174 單元模擬；模型共劃分為3507個(gè)節(jié)點(diǎn)，19832個(gè)單元；定義轉(zhuǎn)軸鋼管與鋼管軸套接觸面為柔性面—面接觸對(duì)，共4350個(gè)接觸對(duì)。

圖2 轉(zhuǎn)動(dòng)鉸有限元模型

3 有限元模型計(jì)算結(jié)果分析

由于豎轉(zhuǎn)前拱肋豎向拼裝完成時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)鉸下座與半拱肋重心垂線之間存在一個(gè)夾角，此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸的受力狀態(tài)較復(fù)雜，容易出現(xiàn)最不利受力狀態(tài)；而在體系轉(zhuǎn)化完成后的成橋狀態(tài)，由于封腳混凝土的參與受力，大大減輕了轉(zhuǎn)動(dòng)鉸的受力狀態(tài)，故認(rèn)為此時(shí)不是轉(zhuǎn)動(dòng)鉸的最不利受力狀態(tài)。

3.1 計(jì)算結(jié)果

本計(jì)算模型對(duì)于拱肋豎向拼裝完成時(shí)(豎轉(zhuǎn)前)的半拱肋重量取120 t，轉(zhuǎn)動(dòng)鉸下座與拱肋重心垂線之間的夾角分別取實(shí)際值135°和假定的最不利值90°來進(jìn)行分析。

計(jì)算實(shí)際施工中轉(zhuǎn)動(dòng)鉸下座與拱肋重心垂線之間的夾角135°時(shí)得到應(yīng)力分布圖，如圖3、圖4所示。計(jì)算結(jié)構(gòu)最不利狀態(tài)下轉(zhuǎn)動(dòng)鉸下座與拱肋重心垂線之間的夾角值90°時(shí)得到應(yīng)力分布，如圖5、圖6所示。

圖3 轉(zhuǎn)動(dòng)鉸模型應(yīng)力分布

圖4 轉(zhuǎn)軸附近耳板的應(yīng)力分布

圖5 轉(zhuǎn)動(dòng)鉸模型應(yīng)力分布圖

圖6 轉(zhuǎn)軸附近鋼板的應(yīng)力分布

3.2 結(jié)果分析

由有限元分析結(jié)果可知：

(1)在實(shí)際豎直拼裝完成的狀態(tài)下，該轉(zhuǎn)動(dòng)鉸下座最大應(yīng)力為220 MPa，發(fā)生在轉(zhuǎn)軸附近區(qū)域；最小應(yīng)力值僅為0.0048 MPa，發(fā)生在作用力反方向的座身處。按照靜載強(qiáng)度準(zhǔn)則，轉(zhuǎn)軸附近區(qū)域承受壓力時(shí)更容易出現(xiàn)塑性流動(dòng)或蠕變。因此在轉(zhuǎn)動(dòng)鉸設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意該區(qū)域的應(yīng)力分布范圍，并留出足夠的空間以防止結(jié)構(gòu)屈服破壞。

(2)當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸下座處于不利受力狀態(tài)時(shí)，應(yīng)保證軸孔到鋼板邊緣的距離L， 控制參數(shù)如圖7所示。

圖7 控制參數(shù)示意圖

為了保證結(jié)構(gòu)的安全性及轉(zhuǎn)動(dòng)鉸受力的合理性，軸孔到鋼板邊緣的最小距離L應(yīng)大于安全系數(shù)與著力方向上最大允許計(jì)算應(yīng)力值產(chǎn)生點(diǎn)到軸孔著力點(diǎn)的距離l的乘積。

4 相關(guān)影響參數(shù)分析

由以上分析可知，軸孔到鋼板邊緣的距離L為保證結(jié)構(gòu)安全性的重要因素。由于結(jié)構(gòu)是短期使用的，所以影響最大允許應(yīng)力產(chǎn)生點(diǎn)的主要因素可忽略摩擦與溫度，而僅考慮作用力F、鋼板厚度(總作用寬度)t與軸孔直徑D三個(gè)參數(shù)對(duì)距離l及其對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸受力狀態(tài)的影響。

4.1 設(shè)F和t不變，將D作為可變參數(shù)

令t=50 mm，F(xiàn)=100 t，計(jì)算結(jié)果如表1所示。由表1可知孔徑D對(duì)l的影響并不明顯。

表1 l與D的關(guān)系

4.2 設(shè)t不變，不考慮D的影響，將F作為可變參數(shù)

令t=50 mm，計(jì)算結(jié)果如表2所示。兩者線性分布規(guī)律如圖8所示。

表2 l與F的關(guān)系表(t=50mm)

圖8 l與F的關(guān)系(t=50 mm)

由圖8可知，在t不變的情況下，l與F可近似擬合為一條l=0.2874F+0.8877的直線，故認(rèn)為F與l有成正比例的關(guān)系。

4.3 設(shè)F不變，不考慮D的影響，將t作為可變參數(shù)

令F=100 t，計(jì)算結(jié)果如表3所示。兩者大致呈指數(shù)分布規(guī)律(圖9)。

表3 l與t的關(guān)系表(F=100 t)

圖9 l與t的關(guān)系(F=100 T)

5 結(jié) 論

(1)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸最大應(yīng)力分布在轉(zhuǎn)軸附近區(qū)域，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意對(duì)該區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)化處理，以保證結(jié)構(gòu)受力安全。

(2)轉(zhuǎn)軸附近區(qū)域易出現(xiàn)塑性流動(dòng)或蠕變。轉(zhuǎn)動(dòng)鉸設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意留出足夠的空間以防止結(jié)構(gòu)屈服破壞。

(3)為了保證結(jié)構(gòu)的安全性及轉(zhuǎn)動(dòng)鉸受力的合理性，軸孔到鋼板邊緣的最小距離L應(yīng)大于安全系數(shù)與著力方向上最大允許計(jì)算應(yīng)力值產(chǎn)生點(diǎn)到軸孔著力點(diǎn)的距離l的乘積。

(4)著力方向上最大允許計(jì)算應(yīng)力值產(chǎn)生點(diǎn)到軸孔著力點(diǎn)的距離l與作用力F呈線性關(guān)系，與鋼板厚度t呈指數(shù)關(guān)系。

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