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        某鋼錨箱式錨固結(jié)構(gòu)彈塑性力學(xué)性能分析

        2021-09-23 01:21:02
        湖南交通科技 2021年3期
        關(guān)鍵詞:板件腹板屈服

        彭 濤

        (湖南聯(lián)智科技股份有限公司, 湖南 長沙 410200)

        鋼錨箱式錨固結(jié)構(gòu)以其整體性好、剛度大等優(yōu)點(diǎn),在大跨徑斜拉橋和鋼拱橋中廣泛應(yīng)用。目前我國已經(jīng)開展多項(xiàng)關(guān)于鋼錨箱的研究,主要研究成果包括鋼錨箱的傳力機(jī)理、各板件受力特性、外荷載產(chǎn)生附加彎矩對(duì)鋼錨箱及鄰近區(qū)域鋼箱梁的受力影響等[1-2]??紤]到鋼錨箱式錨固結(jié)構(gòu)板件眾多,受力較為復(fù)雜,須建立較為精細(xì)的空間有限元模型進(jìn)行仿真分析。本文以某鋼拱橋鋼錨箱為研究對(duì)象,建立局部精細(xì)化有限元模型,分析其彈塑性力學(xué)行為,研究成果可為鋼錨箱破壞機(jī)理研究提供參考。

        1 工程概況

        某大跨徑鋼拱橋橋跨布置為(50+160+50)m,橫向分為2條拱肋,截面形式為單箱單室鋼箱梁截面,兩片拱肋之間通過設(shè)置橫撐和斜撐形成整體,橋面為格構(gòu)式結(jié)構(gòu),系梁為鋼箱梁,橫梁為工字梁(見圖1)。取系梁錨固區(qū)鋼錨箱為研究對(duì)象。鋼錨箱分為錨墊板、加勁肋、支撐板、承壓板、反力加勁肋、系梁腹板及加勁板等主要構(gòu)件,其中支撐板、加勁板、承壓板等主要受力板件采用Q420鋼材,其余板件采用Q345鋼材,板件之間通過焊接形成整體,加勁板上設(shè)置錨固螺栓。鋼錨箱平面構(gòu)造見圖2。

        圖1 鋼拱橋橋型布置圖(單位: m)

        圖2 鋼錨箱平面構(gòu)造示意圖(單位: cm)

        2 有限元模擬

        根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙,使用有限元軟件建立鋼錨箱空間有限元模型,由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,取半結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。錨墊板厚度較大,故采用Solid45三維實(shí)體單元模擬,其余部分板件較薄,使用Shell181殼單元模擬,2種不同的單元之間通過MPC184單元綁定接觸[3-4],采用六面體映射法劃分網(wǎng)格。按照多折線模型考慮構(gòu)件塑性階段的非線性行為(見圖3)。在進(jìn)行有限元建模前,對(duì)鋼錨箱進(jìn)行了加載破壞試驗(yàn),結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果及規(guī)范,該鋼錨箱中Q345鋼材屈服應(yīng)力取383 MPa,極限應(yīng)力取530 MPa;Q420鋼材屈服應(yīng)力取435 MPa,極限應(yīng)力取570 MPa。有限元模型見圖4。

        圖3 彈塑性多折線模型

        圖4 有限元模型半結(jié)構(gòu)示意圖

        3 有限元結(jié)果分析

        3.1 彈性階段鋼錨箱主要板件受力特征

        圖5給出了設(shè)計(jì)荷載下鋼錨箱支撐板沿荷載方向的正應(yīng)力分布結(jié)果,計(jì)算結(jié)果表明:在設(shè)計(jì)荷載作用下,支撐板沿荷載方向壓應(yīng)力最大達(dá)180 MPa,表現(xiàn)出較為明顯的面外受彎受力特點(diǎn),垂直荷載方向兩端應(yīng)力較為集中,近錨頭位置最大拉應(yīng)力為70 MPa,遠(yuǎn)錨頭位置最大壓應(yīng)力為170 MPa。

        圖6給出了內(nèi)外側(cè)加勁板及承壓板在設(shè)計(jì)荷載下沿荷載方向和垂直荷載方向正應(yīng)力分布,計(jì)算結(jié)果表明:沿荷載方向內(nèi)外側(cè)加勁板錨下區(qū)域的正應(yīng)力水平普遍較高,達(dá)-160~-200 MPa,相對(duì)受拉側(cè)出現(xiàn)10~20 MPa拉應(yīng)力,其余位置應(yīng)力分布較為均勻;垂直于荷載方向上正應(yīng)力值較小,但是在錨下位置存在明顯的面外彎曲現(xiàn)象;承壓板周邊由于板件較多,表現(xiàn)出復(fù)雜的面外受彎,正應(yīng)力峰值達(dá)260 MPa。

        a)沿荷載方向支撐板正應(yīng)力

        b) 垂直荷載方向支撐板正應(yīng)力

        a) 內(nèi)側(cè)加勁板沿荷載方向正應(yīng)力

        b)內(nèi)側(cè)加勁板垂直荷載方向正應(yīng)力

        c) 外側(cè)加勁板沿荷載方向正應(yīng)力

        d) 外側(cè)加勁板垂直荷載方向正應(yīng)力

        e)承壓板沿荷載方向正應(yīng)力

        f)承壓板垂直荷載方向正應(yīng)力

        3.2 極限狀態(tài)鋼錨箱主要板件受力特征

        圖7給出了鋼錨箱支撐板的Von Mises應(yīng)力分布及塑性應(yīng)變發(fā)展結(jié)果,計(jì)算結(jié)果表明:在極限狀態(tài)下,支撐板大部分區(qū)域處于屈服狀態(tài),鋼錨箱腹板焊縫區(qū)域(紅色部分)大部分達(dá)到了屈服應(yīng)力,屈服應(yīng)力分布區(qū)域超過50%以上,塑性應(yīng)變也在該區(qū)域迅速擴(kuò)展,鋼錨箱破壞主要是因?yàn)橹伟迮c腹板焊縫區(qū)域屈服造成的。

        a) 支撐板Von Mises應(yīng)力分布(單位:MPa)

        b) 支撐板塑性應(yīng)變分布

        圖8給出了內(nèi)外側(cè)加勁板及承壓板在極限狀態(tài)下構(gòu)件Von Mises應(yīng)力分布及塑性應(yīng)變發(fā)展結(jié)果,計(jì)算結(jié)果表明:內(nèi)外側(cè)加勁板錨下區(qū)域附近達(dá)到屈服狀態(tài),內(nèi)側(cè)加勁板屈服區(qū)域較外側(cè)加勁板稍大,其余位置基本上處于彈性階段,塑性應(yīng)變也僅在錨下較小區(qū)域內(nèi)發(fā)展;當(dāng)鋼錨箱達(dá)到極限狀態(tài)時(shí),內(nèi)外側(cè)承壓板的塑性區(qū)域較小,塑性應(yīng)變維持在較低水平,加勁板屈服不是導(dǎo)致鋼錨箱破壞的主要因素;由圖8e、圖8f可知,承壓板由于與多塊板件焊接,受力較為復(fù)雜,特別是承壓板與腹板焊接位置,基本處于完全屈服狀態(tài),塑性應(yīng)變也發(fā)展較快,當(dāng)鋼錨箱破壞時(shí),承壓板與腹板焊接位置達(dá)到塑性應(yīng)變極限。

        a) 內(nèi)側(cè)加勁板Von Mises應(yīng)力分布(單位:MPa)

        b) 內(nèi)側(cè)加勁板塑性應(yīng)變分布

        c) 外側(cè)加勁板Von Mises應(yīng)力分布(單位: MPa)

        e) 承壓板Von Mises應(yīng)力分布(單位: MPa)

        f) 承壓板塑性應(yīng)變分布

        4 結(jié)論

        以某中承式鋼拱橋系梁錨固區(qū)鋼錨箱為研究對(duì)象,使用有限元軟件建立局部空間有限元模型,開展了彈性及塑性狀態(tài)下鋼錨箱主要板件力學(xué)行為特征分析,得到以下結(jié)論:

        1)彈性狀態(tài)下,鋼錨箱支撐板位置沿荷載分布方向最大正應(yīng)力為-180 MPa,受力形式為面外受彎,垂直荷載方向錨下區(qū)域有小范圍應(yīng)力集中,最大正應(yīng)力為-170 MPa。

        2)彈性狀態(tài)下,鋼錨箱內(nèi)外側(cè)加勁板正應(yīng)力分布為-160 MPa~-200 MPa,相對(duì)受拉側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力,但是數(shù)值較小,承壓板應(yīng)力較為復(fù)雜,且應(yīng)力水平較高,最大正應(yīng)力達(dá)260 MPa。

        3)極限狀態(tài)下,鋼錨箱支撐板大部分區(qū)域達(dá)到屈服應(yīng)力,塑性應(yīng)變快速發(fā)展;同時(shí)承壓板與腹板焊接位置也達(dá)到屈服狀態(tài),內(nèi)外側(cè)加勁板僅錨下區(qū)域位置出現(xiàn)屈服,但塑性應(yīng)變水平較低。

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