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        大寬跨比的正交異性鋼箱梁力學(xué)行為分析

        2020-11-21 04:56:16潘慧杰
        河南建材 2020年10期
        關(guān)鍵詞:活載橫橋鋼箱梁

        李 冰 潘慧杰

        1中電建路橋集團有限公司(100048) 2鄭州理工職業(yè)學(xué)院(450000)

        0 前言

        正交異性鋼橋面板以其自重輕、極限承載能力大、工廠化程度高、施工周期短、結(jié)構(gòu)造型美觀等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于公路橋梁和鐵路橋梁,它的應(yīng)用代表著一個國家鋼橋設(shè)計和制造水平[1]。正交異性鋼橋面板容易發(fā)生最大應(yīng)力引起應(yīng)力集中和疲勞裂縫,而結(jié)構(gòu)在反復(fù)的輪壓作用下的局部受力是引起疲勞裂縫的最主要原因,疲勞裂縫已經(jīng)成為鋼橋設(shè)計中的世界性難題。

        文章以人文路賈魯河橋為例,利用有限元軟件Midas對鋼箱梁橋進行力學(xué)性能分析,以保障橋梁施工過程的穩(wěn)定與安全,為類似工程提供參考。

        1 工程概況

        人文路賈魯河橋是典型的無背索斜拉橋,主橋采用雙索面獨塔結(jié)構(gòu),橋梁全寬55 m,為塔梁固結(jié)體系。主塔上塔柱高70 m,每節(jié)段長6 m,塔身傾角60°。主梁為鋼混縱向組合結(jié)構(gòu),主橋長度190 m,縱向布置為30 m+120 m+40 m,主跨120 m,其中主跨跨中100 m為鋼箱梁,鋼梁與混凝土梁結(jié)合處設(shè)鋼混結(jié)合過渡段,鋼梁為主縱梁、小縱梁、中橫梁、小橫梁、正交異性鋼橋面板及大懸挑組成的鋼構(gòu)架。

        2 有限元模型

        文章采用的混合有限元法計算的準(zhǔn)確性,對混合單元模型與桿系模型在二恒和活載作用下的變形進行對比。

        2.1 計算模型

        采用混合有限元模型對賈魯河橋進行分析,跨中區(qū)域的鋼箱梁采用板殼單元模擬,其他區(qū)域采用梁單元模擬。根據(jù)圣維南原理,鋼箱梁采用板殼建模的長度為55 m,混合有限元模型,混合模型共計生成殼單元101 549個,梁單元68個。

        2.2 計算參數(shù)

        主梁的材料參數(shù)取值見表1。

        表1 計算選用的材料參數(shù)表

        2.3 計算荷載

        計算荷載包括梁體自重、二期鋪裝和公路I級汽車荷載?;旌嫌邢拊P椭辛簡卧惺芎奢d以線荷載形式施加到梁單元上。全橋按8車道布載,車道折減系數(shù)為0.5。殼單元上車道荷載按面荷載施加。

        3 鋼箱梁受力分析

        3.1 鋼箱梁變形分析

        賈魯河橋鋼箱梁寬55 m,橫向尺寸大,采用整體桿系模型可以計算得到梁段的豎向變形。但對于梁段的橫向變形,整體桿系模型無法給出精確的計算結(jié)果。文章基于空間板殼模型,重點分析鋼箱梁橫橋向變形。

        鋼箱梁橫向變形分析表明:自重作用下鋼箱梁橫向相對變形(橫橋向其他點相對于鋼箱梁中線處點的變形)最大值為1 mm,二恒作用下鋼箱梁橫向相對變形最大值為-2.8 mm(如圖1所示),活載作用下鋼箱梁橫向相對變形最大值為1.7 mm(如圖2所示)。鋼箱梁橫隔板間距較小,鋼箱梁橫向剛度較大,盡管鋼箱梁寬度達55 m,但結(jié)構(gòu)橫橋向變形基本一致[1]。

        圖1 二恒作用下鋼箱梁橫橋向相對變形(相對于箱梁中線位置)

        圖2 活載作用下鋼箱梁橫橋向相對變形(相對于箱梁中線位置)

        自重、二恒和1/2活載下的鋼箱梁橫向累積相對變形在-2~1.6 mm。

        3.2 鋼箱梁應(yīng)力分析

        賈魯河橋鋼箱梁橫向尺寸大,采用正交異性板結(jié)構(gòu),鋼箱梁空間受力效應(yīng)明顯,采用桿系模型無法反映結(jié)構(gòu)的空間應(yīng)力分布。文章基于空間板殼模型,重點分析鋼箱梁在二恒和活載作用下的空間應(yīng)力情況,并與梁單元計算結(jié)果進行對比以評估鋼箱梁的剪力滯效應(yīng)。

        以跨中一典型截面為例,對鋼箱梁頂板正應(yīng)力沿橫橋向的分布進行分析,分析表明:自重作用下頂板正應(yīng)力橫向分布變化范圍為3.45~13.07 MPa,二恒作用下頂板正應(yīng)力橫向分布變化范圍為-7.71~13.55 MPa,自重作用下頂板正應(yīng)力橫向分布變化范圍為-6.26~12.05 MPa。自重作用下鋼箱梁頂板正應(yīng)力沿橫向分布不均勻性較二恒和活載下更突出。鋼箱梁截面剪力滯效應(yīng)較明顯,二恒作用下最大剪力滯系數(shù)為1.21。

        3.3 鋼箱梁施工過程應(yīng)力控制

        施工過程中對鋼箱梁的關(guān)鍵截面進行了應(yīng)力監(jiān)控,在環(huán)縫焊接工況下鋼箱梁應(yīng)力變化的最大值為0.7 Mpa,在塔柱施工工況下跨中截面應(yīng)力變化最大24.9 Mpa。應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,所有測點應(yīng)力均未超出材料的強度設(shè)計值,說明施工過程結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

        4 結(jié)語

        文章對賈魯河橋鋼箱梁建立了精細的分析模型,首先通過混合單元模型與桿系模型的計算對比,驗證了混合單元模型計算的正確性。接著對自重、二恒和活載作用下的鋼箱梁橫向變形進行了分析,分析表明二恒作用下鋼箱梁橫向相對變形最大,其值為-2.8 mm??傮w來看,鋼箱梁橫向剛度較均勻,鋼箱梁橫向變形基本一致。對自重、二恒和活載作用下的鋼箱梁應(yīng)力分析表明:自重作用下頂板正應(yīng)力橫向分布不均勻性最突出,變化范圍為3.45~13.07 MPa。總體來看,鋼箱梁應(yīng)力具有較大的安全富余度(Q345鋼材強度設(shè)計值為275 MPa),但鋼箱梁截面剪力滯效應(yīng)較明顯,二恒作用下最大剪力滯系數(shù)為1.21。對施工過程鋼箱梁關(guān)鍵截面的應(yīng)力監(jiān)控表明,施工過程測點結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力均未超出鋼材強度設(shè)計值,結(jié)構(gòu)受力處于安全狀態(tài)。

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