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        四線鐵路鋼混連續(xù)梁橋結(jié)合段力學(xué)性能分析

        2022-11-03 03:16:56高哲凝
        工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2022年19期
        關(guān)鍵詞:鋼結(jié)構(gòu)混凝土

        高哲凝

        (中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢430063)

        1 引言

        鋼混混合梁充分利用鋼材的質(zhì)輕、高強(qiáng)和混凝土技術(shù)成熟、抗壓能力強(qiáng)、造價低等屬性[1-2],在受力性能、跨越能力、經(jīng)濟(jì)性等方面具有顯著優(yōu)勢[3]。鋼混結(jié)合段使得鋼主梁與混凝土主梁相互結(jié)合、共同受力[4],滿足兩者之間剛度過渡平順、傳力合理,是鋼混混合梁受力最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)[5-6],其構(gòu)造與施工也非常復(fù)雜,開展相關(guān)力學(xué)性能研究顯得尤為重要。由于鋼混結(jié)合段整體體量大,開展模型試驗(yàn)研究整體費(fèi)用高且費(fèi)時費(fèi)力[7-9],致使鋼混結(jié)合段的有限元精細(xì)化仿真分析成為必要的替代方案。本文以流溪河特大橋?yàn)楣こ瘫尘埃捎糜邢拊浖嗀NSYS,對鋼混結(jié)合段的受力情況進(jìn)行分析,為橋梁設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。

        2 工程概況

        新建廣州至湛江高速鐵路廣州白云站至江村西線路所聯(lián)絡(luò)線流溪河特大橋?yàn)?0 m+160 m+70 m 四線鋼混連續(xù)梁橋,設(shè)計(jì)速度160 km/h。主橋長300 m(含兩側(cè)梁端至支座中心線各0.8 m)。

        鋼混結(jié)合段采用帶格室后承壓板構(gòu)造,鋼梁腹板及頂?shù)装逋獍Y(jié)合段混凝土,混凝土梁的預(yù)應(yīng)力鋼束分批錨固在鋼承壓板和鋼箱梁上[10-11]。為滿足鋼材和混凝土間的傳力需求,在承壓板和頂板、底板表面均布置焊釘連接件[12],同時在格室內(nèi)腹板、頂板、底板處均布置PBL 連接件。混凝土過渡段采用頂?shù)装寮案拱遄兏呒雍襁^渡,鋼梁部分過渡段采用在頂?shù)装逶O(shè)置變高度倒T 肋的方式過渡,鋼混結(jié)合段的立面如圖1 所示。

        圖1 鋼混結(jié)合段構(gòu)造圖(單位:mm)

        3 計(jì)算模型

        采用大型通用有限元軟件ANSYS,對鋼混結(jié)合段進(jìn)行有限元仿真分析。本節(jié)采用實(shí)體單元solid65 模擬混凝土實(shí)體部分;板單元shell63 模擬鋼箱桁梁各鋼構(gòu)件[13];彈簧單元combin39模擬栓釘,link8 單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼束;建立鋼混結(jié)合段模型計(jì)算并分析該節(jié)段的受力及變形。模型示意圖如圖2 所示。為盡量減小節(jié)段模型邊界條件對計(jì)算結(jié)果的影響,結(jié)果分析時不考慮模型兩端一個節(jié)段長度范圍[14]。

        圖2 鋼混結(jié)合段模型示意圖

        模型混凝土段靠近主墩的一端施加固定約束,鋼箱梁段遠(yuǎn)離主墩的一端質(zhì)心處施加整體模型計(jì)算的主力工況下內(nèi)力彎矩277 524 kN·m,剪力16 384 kN。

        4 計(jì)算結(jié)果

        4.1 鋼梁應(yīng)力分析

        根據(jù)計(jì)算結(jié)果提取鋼梁順橋向正應(yīng)力、等效應(yīng)力如圖3、圖4 所示。

        圖3 鋼梁順橋向正應(yīng)力(單位:M P a)

        圖4 鋼梁等效應(yīng)力(單位:M P a)

        鋼梁順橋向正應(yīng)力為上拉下壓,越靠近鋼混交界面應(yīng)力值越大。頂板拉應(yīng)力在靠近鋼混結(jié)合段的位置最大約為54 MPa;底板壓應(yīng)力最大處約為72 MPa。鋼梁等效應(yīng)力較小符合規(guī)范要求,在靠近鋼混結(jié)合段位置中腹板加勁肋與承壓板相交位置有應(yīng)力集中,應(yīng)力值約為96 MPa。

        鋼梁內(nèi)桁架應(yīng)力情況良好,等效應(yīng)力在15 MPa 以下,桁架連接板應(yīng)力情況良好,等效應(yīng)力在28 MPa 以下最大應(yīng)力值出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)板下角點(diǎn)位置。

        4.2 混凝土梁應(yīng)力分析

        混凝土段順橋向應(yīng)力受壓為主,最大壓應(yīng)力10 MPa,滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。在鋼混結(jié)合段位置頂面有少部分拉應(yīng)力,與承壓板接觸面上有少量拉應(yīng)力,最大拉應(yīng)力2 MPa,經(jīng)裂縫檢算,最大裂縫0.56 mm,滿足設(shè)計(jì)要求。

        4.3 鋼混結(jié)合段應(yīng)力

        根據(jù)計(jì)算結(jié)果,提取鋼混結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)、栓釘?shù)炔课坏膽?yīng)力,結(jié)果如圖5、圖6 所示。

        圖5 鋼混結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力(單位;M P a)

        圖6 鋼混結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)順橋向正應(yīng)力(單位:M P a)

        鋼混結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力在靠近承壓板的一端較大,并且在鋼格室與內(nèi)外腹板相交周邊有應(yīng)力集中,最大應(yīng)力為70 MPa。鋼混結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)順橋向應(yīng)力受壓為主,在與承壓板相交處最大,頂板為拉應(yīng)力最大處約50 MPa,底板為壓應(yīng)力最大處約58 MPa。

        腹板栓釘順橋向剪切力為主,最大約為36 kN,豎向剪切力最大約為18 kN。鋼格室板栓釘順橋向剪切力為主??拷袎喊逦恢蒙倭克ㄡ斶_(dá)到31 kN,整體在24 kN 以下,豎向剪切力較小,最大約為6 kN。頂?shù)装逅ㄡ斨饕艿巾槝蛳蚣羟辛?,最大約為36.5 kN,橫橋向剪切力最大約為11.7 kN。

        5 結(jié)語

        通過建立局部有限元計(jì)算模型,分析了大跨鋼混混合梁結(jié)合段受力特性。計(jì)算了主力工況下鋼混結(jié)合段各構(gòu)件的受力狀況,得到以下結(jié)論。

        1)鋼梁順橋向正應(yīng)力為上拉下壓,越靠近交界面應(yīng)力值越大。頂板拉應(yīng)力在靠近結(jié)合段的位置最大約為54 MPa;底板壓應(yīng)力最大處約為72 MPa。在靠近結(jié)合段位置中腹板加勁肋與承壓板相交位置有應(yīng)力集中,應(yīng)力值約為96 MPa。

        2)混凝土段順橋向應(yīng)力受壓為主,最大壓應(yīng)力10.0 MPa。在結(jié)合段位置頂面有少部分拉應(yīng)力,與承壓板接觸面上有少量拉應(yīng)力。

        3)鋼混結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力在靠近承壓板的一端較大,最大應(yīng)力為70 MPa。鋼混結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)順橋向應(yīng)力受壓為主,在與承壓板相交處最大;頂板為拉應(yīng)力,最大處約50 MPa;底板為壓應(yīng)力,最大處約58 MPa。

        4)鋼混結(jié)合段整體應(yīng)力水平較低,傳力較均勻,總體構(gòu)造設(shè)計(jì)合理,滿足混合梁鋼材與混凝土間的傳力需求。

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