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        波形鋼腹板的剪力滯效應有限元分析

        2014-11-10 02:42:17王亞成呂建春
        科技資訊 2014年6期

        王亞成 呂建春

        摘 要:結合實際工程,采用空間有限元法分析了波形鋼腹板組合箱粱的剪力滯效應。在分析中考慮集中力和均布力兩種典型工況,計算了不同截面位置的剪力滯效應系數(shù)。分析結果表明,集中力作用下箱梁的剪力滯系數(shù)均大于均布力作用,跨中剪力滯系數(shù)和應力值均較大,設計中應給予相應重視。數(shù)值根據(jù)分析結果對類似橋梁工程設計具有一定指導作用。

        關鍵詞:組合箱梁 波形鋼腹板 剪力滯

        中圖分類號:U448 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2014)02(c)-0057-02

        為減輕預應力鋼筋砼箱梁自重,1975年法國Campenon Bernard公司首先提出采用波形鋼腹板代替混凝土腹板,并于1986年建成第一座波形鋼腹板預應力組合箱梁[1]。由于自重輕,縱向剛度小、混凝土收縮徐變不受約束、預應力效應效率較高等諸多優(yōu)點,波形鋼腹板在各國得到了不同程度的推廣應用[2~3]。中國于2005年建成該類型結構橋梁2座,分別為河南省光山縣內的潑河大橋和江蘇省淮安市內的長征橋。

        國內目前僅有的相關規(guī)范《組合結構橋梁用波形鋼腹板》[4]對鋼腹板的技術標準進行了規(guī)范,但在該類結構的設計中,仍需要做詳細的分析計算[5]。

        本文依托實際工程,采用空間有限元法分析了波形鋼腹板組合箱粱的剪力滯效應。在分析中考慮了集中力和均布力兩種最典型的荷載工況,對箱梁不同位置的箱梁剪力滯效應進行比較。分析結果對類似工程具有參考價值。

        1 工程背景及有限元模型

        堡子溝天橋是陜西省定漢線坪坎至漢中高速公路上的一座車行天橋,橋長80 m,跨徑組合為2×40 m,梁高2.1 m,頂板寬6.5 m,底板寬4 m,頂板厚0.12 m,底板厚0.22 m,箱梁斷面見圖1。

        波形鋼腹板箱梁根據(jù)其截面厚度及受力特點,采用不同的單元進行模擬,其中頂?shù)装宀捎萌S實體單元solid45,腹板采用板殼單元shell63。手動劃分單元,并APDL命令生產(chǎn)其余部分,在截面變化及鋼混結合位置進行適當加密,腹板的底緣線與頂?shù)装宓膯卧獎澐志€對應,各關鍵銜接位置共用節(jié)點,變形位移協(xié)調。全橋共70882個節(jié)點,實體單元24994個,板殼單元24518個。

        頂?shù)装宀捎肅50混凝土,彈性模量3.45×104 Mpa,泊松比0.2。腹板采用Q345C,彈性模量206×103 Mpa,泊松比0.3,腹板厚12 mm,波長1200 mm,鋼腹板大樣圖見圖2。頂?shù)装迮c腹板采用φ19的圓柱頭焊釘連接。

        該橋為2跨連續(xù)梁,荷載布置共2種工況。工況1為第一跨跨中加載集中力;工況2為第一跨滿布均布力。分別計算底板和頂板對應箱梁不同位置的剪力滯系數(shù)。

        3 計算結果

        如圖2~圖6分別為第一跨跨中截面和中支點截面處的剪力滯效應系數(shù)的計算結果。

        圖3為第一跨跨中底板剪力滯效應系數(shù)的計算結果。由圖3可以看出,最大剪力滯系數(shù)的最大最小值在集中荷載作用下分別為1.1367和0.9221,在均布荷載下分別為1.0288和0.9811。

        圖4為第一跨跨中頂板剪力滯效應系數(shù)的計算結果。由圖4可以看出,最大剪力滯系數(shù)最大最小值,在集中荷載作用下分別為1.311和0.6302,在均布荷載下分別為0.963和1.05??缰薪孛嫣幖辛袅挠绊懘笥诰己奢d。

        在工況1下,跨中截面上緣的剪力滯效應系數(shù)較大,但上緣以受壓為主,下緣以受拉為,且上緣最大應力值僅為下緣的46.3%,設計中應優(yōu)先考慮下緣受力狀態(tài)。為改善應力狀態(tài),宜在跨中箱梁底緣靠近腹板處設置預應力鋼束,以改善上下緣應力分布。

        圖5為第一跨中支點底板剪力滯效應系數(shù)的計算結果。由圖5可以看出,中支點附近底板最大剪力滯系數(shù)最大最小值,在集中荷載作用下分別為1.016和0.939,在均布荷載下分別為1.025和0.899。中支點附近底板剪力滯系數(shù)變化相對較小,且兩種工況數(shù)值較接近。

        圖6為第一跨中支點頂板剪力滯效應系數(shù)的計算結果。由圖6可以看出,中支點附近頂板最大剪力滯系數(shù)最大最小值,在集中荷載作用下分別為1.082和0.958,在均布荷載下分別為1.040和0.874。

        頂板跨中位置下,剪力滯系數(shù)變化趨勢與常規(guī)分析偏差較大,經(jīng)比較有兩點原因導致:第一,在邊支點位置彎矩接近于零,因此較小的應力值即可導致較大的相對變化;第二,在荷載工況二下是滿布局部荷載,作用于箱梁頂板中間,局部應力影響明顯,圖中箱梁兩側剪力滯系數(shù)接近1.0,靠近箱梁中間的剪力滯系變化較大,主要是受局部應力影響。

        邊支點附近底板最大剪力滯系數(shù)最大最小值,在集中荷載作用下為分別為1.238和0.919,在均布荷載下分別為1.210和0.938。底板邊支點位置,最大剪力滯系數(shù)均較大,且比較接近。邊支點附近頂板最大剪力滯系數(shù)最大最小值,在集中荷載作用下分別為1.08和0.78,在均布荷載下分別為1.002和0.818。頂板剪力滯系數(shù)在兩種工況下均較大,集中力作用下的稍大。

        頂板是荷載直接作用的位置,局部應力對結果有一定影響,本圖數(shù)據(jù)中僅考慮翼緣板數(shù)據(jù),兩條曲線接近。在邊支點處彎矩接近為零,計算應力絕對值較小,在設計中不起控制作用。

        4 結語

        (1)在工況1即跨中集中力作用下,2×40 m箱梁對應跨中剪力滯系數(shù)較大,尤其是箱梁頂板位置,其次是箱梁底板位置,且箱梁的跨中應力值較大,設計中應給予相應重視。

        (2)在相同截面位置,工況1的所計算的剪力滯系數(shù)均大于對應工況2作用下的剪力滯系數(shù)。

        (3)采用ANSYS建立的空間有限元模型計算的頂?shù)装鍛?,出現(xiàn)典型的剪力滯效應,上翼緣的基本大于下翼緣,證明所建空間有限元模型是可靠。

        參考文獻

        [1] 聶建國.鋼-混混凝土組合結構橋梁[M].北京:人民交通出版社,2011.

        [2] 劉玉擎.組合結構橋梁[M].北京:人民交通出版社,2005.

        [3] 陳寶春,黃卿維.波形鋼腹板PC箱梁橋應用綜述[J].公路,2005(7):45-53.

        [4] JT/T 784-2010,組合結構橋梁用波形鋼腹板[S].2010.

        [5] 吳文清.波形鋼腹板組合箱梁剪力滯效應問題研究[D].南京:東南大學,2002.endprint

        摘 要:結合實際工程,采用空間有限元法分析了波形鋼腹板組合箱粱的剪力滯效應。在分析中考慮集中力和均布力兩種典型工況,計算了不同截面位置的剪力滯效應系數(shù)。分析結果表明,集中力作用下箱梁的剪力滯系數(shù)均大于均布力作用,跨中剪力滯系數(shù)和應力值均較大,設計中應給予相應重視。數(shù)值根據(jù)分析結果對類似橋梁工程設計具有一定指導作用。

        關鍵詞:組合箱梁 波形鋼腹板 剪力滯

        中圖分類號:U448 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2014)02(c)-0057-02

        為減輕預應力鋼筋砼箱梁自重,1975年法國Campenon Bernard公司首先提出采用波形鋼腹板代替混凝土腹板,并于1986年建成第一座波形鋼腹板預應力組合箱梁[1]。由于自重輕,縱向剛度小、混凝土收縮徐變不受約束、預應力效應效率較高等諸多優(yōu)點,波形鋼腹板在各國得到了不同程度的推廣應用[2~3]。中國于2005年建成該類型結構橋梁2座,分別為河南省光山縣內的潑河大橋和江蘇省淮安市內的長征橋。

        國內目前僅有的相關規(guī)范《組合結構橋梁用波形鋼腹板》[4]對鋼腹板的技術標準進行了規(guī)范,但在該類結構的設計中,仍需要做詳細的分析計算[5]。

        本文依托實際工程,采用空間有限元法分析了波形鋼腹板組合箱粱的剪力滯效應。在分析中考慮了集中力和均布力兩種最典型的荷載工況,對箱梁不同位置的箱梁剪力滯效應進行比較。分析結果對類似工程具有參考價值。

        1 工程背景及有限元模型

        堡子溝天橋是陜西省定漢線坪坎至漢中高速公路上的一座車行天橋,橋長80 m,跨徑組合為2×40 m,梁高2.1 m,頂板寬6.5 m,底板寬4 m,頂板厚0.12 m,底板厚0.22 m,箱梁斷面見圖1。

        波形鋼腹板箱梁根據(jù)其截面厚度及受力特點,采用不同的單元進行模擬,其中頂?shù)装宀捎萌S實體單元solid45,腹板采用板殼單元shell63。手動劃分單元,并APDL命令生產(chǎn)其余部分,在截面變化及鋼混結合位置進行適當加密,腹板的底緣線與頂?shù)装宓膯卧獎澐志€對應,各關鍵銜接位置共用節(jié)點,變形位移協(xié)調。全橋共70882個節(jié)點,實體單元24994個,板殼單元24518個。

        頂?shù)装宀捎肅50混凝土,彈性模量3.45×104 Mpa,泊松比0.2。腹板采用Q345C,彈性模量206×103 Mpa,泊松比0.3,腹板厚12 mm,波長1200 mm,鋼腹板大樣圖見圖2。頂?shù)装迮c腹板采用φ19的圓柱頭焊釘連接。

        該橋為2跨連續(xù)梁,荷載布置共2種工況。工況1為第一跨跨中加載集中力;工況2為第一跨滿布均布力。分別計算底板和頂板對應箱梁不同位置的剪力滯系數(shù)。

        3 計算結果

        如圖2~圖6分別為第一跨跨中截面和中支點截面處的剪力滯效應系數(shù)的計算結果。

        圖3為第一跨跨中底板剪力滯效應系數(shù)的計算結果。由圖3可以看出,最大剪力滯系數(shù)的最大最小值在集中荷載作用下分別為1.1367和0.9221,在均布荷載下分別為1.0288和0.9811。

        圖4為第一跨跨中頂板剪力滯效應系數(shù)的計算結果。由圖4可以看出,最大剪力滯系數(shù)最大最小值,在集中荷載作用下分別為1.311和0.6302,在均布荷載下分別為0.963和1.05??缰薪孛嫣幖辛袅挠绊懘笥诰己奢d。

        在工況1下,跨中截面上緣的剪力滯效應系數(shù)較大,但上緣以受壓為主,下緣以受拉為,且上緣最大應力值僅為下緣的46.3%,設計中應優(yōu)先考慮下緣受力狀態(tài)。為改善應力狀態(tài),宜在跨中箱梁底緣靠近腹板處設置預應力鋼束,以改善上下緣應力分布。

        圖5為第一跨中支點底板剪力滯效應系數(shù)的計算結果。由圖5可以看出,中支點附近底板最大剪力滯系數(shù)最大最小值,在集中荷載作用下分別為1.016和0.939,在均布荷載下分別為1.025和0.899。中支點附近底板剪力滯系數(shù)變化相對較小,且兩種工況數(shù)值較接近。

        圖6為第一跨中支點頂板剪力滯效應系數(shù)的計算結果。由圖6可以看出,中支點附近頂板最大剪力滯系數(shù)最大最小值,在集中荷載作用下分別為1.082和0.958,在均布荷載下分別為1.040和0.874。

        頂板跨中位置下,剪力滯系數(shù)變化趨勢與常規(guī)分析偏差較大,經(jīng)比較有兩點原因導致:第一,在邊支點位置彎矩接近于零,因此較小的應力值即可導致較大的相對變化;第二,在荷載工況二下是滿布局部荷載,作用于箱梁頂板中間,局部應力影響明顯,圖中箱梁兩側剪力滯系數(shù)接近1.0,靠近箱梁中間的剪力滯系變化較大,主要是受局部應力影響。

        邊支點附近底板最大剪力滯系數(shù)最大最小值,在集中荷載作用下為分別為1.238和0.919,在均布荷載下分別為1.210和0.938。底板邊支點位置,最大剪力滯系數(shù)均較大,且比較接近。邊支點附近頂板最大剪力滯系數(shù)最大最小值,在集中荷載作用下分別為1.08和0.78,在均布荷載下分別為1.002和0.818。頂板剪力滯系數(shù)在兩種工況下均較大,集中力作用下的稍大。

        頂板是荷載直接作用的位置,局部應力對結果有一定影響,本圖數(shù)據(jù)中僅考慮翼緣板數(shù)據(jù),兩條曲線接近。在邊支點處彎矩接近為零,計算應力絕對值較小,在設計中不起控制作用。

        4 結語

        (1)在工況1即跨中集中力作用下,2×40 m箱梁對應跨中剪力滯系數(shù)較大,尤其是箱梁頂板位置,其次是箱梁底板位置,且箱梁的跨中應力值較大,設計中應給予相應重視。

        (2)在相同截面位置,工況1的所計算的剪力滯系數(shù)均大于對應工況2作用下的剪力滯系數(shù)。

        (3)采用ANSYS建立的空間有限元模型計算的頂?shù)装鍛Γ霈F(xiàn)典型的剪力滯效應,上翼緣的基本大于下翼緣,證明所建空間有限元模型是可靠。

        參考文獻

        [1] 聶建國.鋼-混混凝土組合結構橋梁[M].北京:人民交通出版社,2011.

        [2] 劉玉擎.組合結構橋梁[M].北京:人民交通出版社,2005.

        [3] 陳寶春,黃卿維.波形鋼腹板PC箱梁橋應用綜述[J].公路,2005(7):45-53.

        [4] JT/T 784-2010,組合結構橋梁用波形鋼腹板[S].2010.

        [5] 吳文清.波形鋼腹板組合箱梁剪力滯效應問題研究[D].南京:東南大學,2002.endprint

        摘 要:結合實際工程,采用空間有限元法分析了波形鋼腹板組合箱粱的剪力滯效應。在分析中考慮集中力和均布力兩種典型工況,計算了不同截面位置的剪力滯效應系數(shù)。分析結果表明,集中力作用下箱梁的剪力滯系數(shù)均大于均布力作用,跨中剪力滯系數(shù)和應力值均較大,設計中應給予相應重視。數(shù)值根據(jù)分析結果對類似橋梁工程設計具有一定指導作用。

        關鍵詞:組合箱梁 波形鋼腹板 剪力滯

        中圖分類號:U448 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2014)02(c)-0057-02

        為減輕預應力鋼筋砼箱梁自重,1975年法國Campenon Bernard公司首先提出采用波形鋼腹板代替混凝土腹板,并于1986年建成第一座波形鋼腹板預應力組合箱梁[1]。由于自重輕,縱向剛度小、混凝土收縮徐變不受約束、預應力效應效率較高等諸多優(yōu)點,波形鋼腹板在各國得到了不同程度的推廣應用[2~3]。中國于2005年建成該類型結構橋梁2座,分別為河南省光山縣內的潑河大橋和江蘇省淮安市內的長征橋。

        國內目前僅有的相關規(guī)范《組合結構橋梁用波形鋼腹板》[4]對鋼腹板的技術標準進行了規(guī)范,但在該類結構的設計中,仍需要做詳細的分析計算[5]。

        本文依托實際工程,采用空間有限元法分析了波形鋼腹板組合箱粱的剪力滯效應。在分析中考慮了集中力和均布力兩種最典型的荷載工況,對箱梁不同位置的箱梁剪力滯效應進行比較。分析結果對類似工程具有參考價值。

        1 工程背景及有限元模型

        堡子溝天橋是陜西省定漢線坪坎至漢中高速公路上的一座車行天橋,橋長80 m,跨徑組合為2×40 m,梁高2.1 m,頂板寬6.5 m,底板寬4 m,頂板厚0.12 m,底板厚0.22 m,箱梁斷面見圖1。

        波形鋼腹板箱梁根據(jù)其截面厚度及受力特點,采用不同的單元進行模擬,其中頂?shù)装宀捎萌S實體單元solid45,腹板采用板殼單元shell63。手動劃分單元,并APDL命令生產(chǎn)其余部分,在截面變化及鋼混結合位置進行適當加密,腹板的底緣線與頂?shù)装宓膯卧獎澐志€對應,各關鍵銜接位置共用節(jié)點,變形位移協(xié)調。全橋共70882個節(jié)點,實體單元24994個,板殼單元24518個。

        頂?shù)装宀捎肅50混凝土,彈性模量3.45×104 Mpa,泊松比0.2。腹板采用Q345C,彈性模量206×103 Mpa,泊松比0.3,腹板厚12 mm,波長1200 mm,鋼腹板大樣圖見圖2。頂?shù)装迮c腹板采用φ19的圓柱頭焊釘連接。

        該橋為2跨連續(xù)梁,荷載布置共2種工況。工況1為第一跨跨中加載集中力;工況2為第一跨滿布均布力。分別計算底板和頂板對應箱梁不同位置的剪力滯系數(shù)。

        3 計算結果

        如圖2~圖6分別為第一跨跨中截面和中支點截面處的剪力滯效應系數(shù)的計算結果。

        圖3為第一跨跨中底板剪力滯效應系數(shù)的計算結果。由圖3可以看出,最大剪力滯系數(shù)的最大最小值在集中荷載作用下分別為1.1367和0.9221,在均布荷載下分別為1.0288和0.9811。

        圖4為第一跨跨中頂板剪力滯效應系數(shù)的計算結果。由圖4可以看出,最大剪力滯系數(shù)最大最小值,在集中荷載作用下分別為1.311和0.6302,在均布荷載下分別為0.963和1.05??缰薪孛嫣幖辛袅挠绊懘笥诰己奢d。

        在工況1下,跨中截面上緣的剪力滯效應系數(shù)較大,但上緣以受壓為主,下緣以受拉為,且上緣最大應力值僅為下緣的46.3%,設計中應優(yōu)先考慮下緣受力狀態(tài)。為改善應力狀態(tài),宜在跨中箱梁底緣靠近腹板處設置預應力鋼束,以改善上下緣應力分布。

        圖5為第一跨中支點底板剪力滯效應系數(shù)的計算結果。由圖5可以看出,中支點附近底板最大剪力滯系數(shù)最大最小值,在集中荷載作用下分別為1.016和0.939,在均布荷載下分別為1.025和0.899。中支點附近底板剪力滯系數(shù)變化相對較小,且兩種工況數(shù)值較接近。

        圖6為第一跨中支點頂板剪力滯效應系數(shù)的計算結果。由圖6可以看出,中支點附近頂板最大剪力滯系數(shù)最大最小值,在集中荷載作用下分別為1.082和0.958,在均布荷載下分別為1.040和0.874。

        頂板跨中位置下,剪力滯系數(shù)變化趨勢與常規(guī)分析偏差較大,經(jīng)比較有兩點原因導致:第一,在邊支點位置彎矩接近于零,因此較小的應力值即可導致較大的相對變化;第二,在荷載工況二下是滿布局部荷載,作用于箱梁頂板中間,局部應力影響明顯,圖中箱梁兩側剪力滯系數(shù)接近1.0,靠近箱梁中間的剪力滯系變化較大,主要是受局部應力影響。

        邊支點附近底板最大剪力滯系數(shù)最大最小值,在集中荷載作用下為分別為1.238和0.919,在均布荷載下分別為1.210和0.938。底板邊支點位置,最大剪力滯系數(shù)均較大,且比較接近。邊支點附近頂板最大剪力滯系數(shù)最大最小值,在集中荷載作用下分別為1.08和0.78,在均布荷載下分別為1.002和0.818。頂板剪力滯系數(shù)在兩種工況下均較大,集中力作用下的稍大。

        頂板是荷載直接作用的位置,局部應力對結果有一定影響,本圖數(shù)據(jù)中僅考慮翼緣板數(shù)據(jù),兩條曲線接近。在邊支點處彎矩接近為零,計算應力絕對值較小,在設計中不起控制作用。

        4 結語

        (1)在工況1即跨中集中力作用下,2×40 m箱梁對應跨中剪力滯系數(shù)較大,尤其是箱梁頂板位置,其次是箱梁底板位置,且箱梁的跨中應力值較大,設計中應給予相應重視。

        (2)在相同截面位置,工況1的所計算的剪力滯系數(shù)均大于對應工況2作用下的剪力滯系數(shù)。

        (3)采用ANSYS建立的空間有限元模型計算的頂?shù)装鍛?,出現(xiàn)典型的剪力滯效應,上翼緣的基本大于下翼緣,證明所建空間有限元模型是可靠。

        參考文獻

        [1] 聶建國.鋼-混混凝土組合結構橋梁[M].北京:人民交通出版社,2011.

        [2] 劉玉擎.組合結構橋梁[M].北京:人民交通出版社,2005.

        [3] 陳寶春,黃卿維.波形鋼腹板PC箱梁橋應用綜述[J].公路,2005(7):45-53.

        [4] JT/T 784-2010,組合結構橋梁用波形鋼腹板[S].2010.

        [5] 吳文清.波形鋼腹板組合箱梁剪力滯效應問題研究[D].南京:東南大學,2002.endprint

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