某鋼桁架拱橋鋼錨箱結(jié)構(gòu)空間有限元分析

1、梁 斌:某鋼桁架拱橋鋼錨箱結(jié)構(gòu)空間有限元分析某鋼桁架拱橋鋼錨箱結(jié)構(gòu)空間有限元分析梁 斌(同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系, 上海 200092摘 要 對某鋼桁架拱橋的鋼錨箱在三種不同張拉方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析。分析結(jié)果表明,三種不同張拉方式對鋼錨箱的應(yīng)力影響相差不大;同時(shí),根據(jù)有限元分析結(jié)果,建議增加錨箱鋼墊板厚度。關(guān)鍵詞 鋼桁架拱橋;鋼錨箱;有限元分析 中圖分類號 TU 392 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 B文章編號 1001-6864(201010-0047-021工程概況主橋采用中承式鋼桁架系桿拱橋,跨徑為50+168+50=268m 。邊中跨比0 298?？傮w布置見圖1。拱肋上弦理論中心線由一段圓曲線,一段直線和一

2、段拋物線組成。橋面以上高度38 1m,拱腳至拱頂高53 33m,半徑為180 172m 。中跨下弦桿為二次拋物線,橋面以上高度33 41m,拱腳至拱頂高48 66m,矢跨比1:3 5,邊跨下弦桿為懸鏈線,m =8。上弦桿為高1 3m 、寬1 5m 的鋼箱結(jié)構(gòu),下弦桿為高1 5m,寬1 5m 的鋼箱結(jié)構(gòu)。拱頂斷面總高度5 5m 。腹桿主要采用1 5!0 51 5!0 8m 工字型斷面。中跨桁架拱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間間距3 5m,支點(diǎn)附近采用變間距,最大間距邊跨直腹桿間距5 8m 。下弦桿在拱腳采用固結(jié)。拱腳通過設(shè)置剪力鍵、錨固鋼筋的節(jié)點(diǎn) 加強(qiáng)板與橋墩連接。2錨箱構(gòu)造鋼錨箱構(gòu)造見圖2。錨箱寬度840mm,高度

3、840mm,長度2520mm 為等截面箱形截面。箱形截面頂板N 1、底板N 2、內(nèi)側(cè)N3腹板、外側(cè)腹板N 4厚度均為40mm 。張拉端處設(shè)置錨墊板N5,墊板厚度80mm,預(yù)留 450mm 的圓孔。頂?shù)装逶O(shè)置加勁肋N 6,加勁肋厚度40mm 。根據(jù)施工方案,有三種可能的張拉方案:內(nèi)外兩側(cè)同時(shí)張拉、先內(nèi)側(cè)后外側(cè)、先外側(cè)后內(nèi)側(cè)。由此產(chǎn)生錨箱的三種加載方式:對稱加載、內(nèi)測加載、外側(cè)加載。3 空間有限元分析3 1 有限元分析軟件及有限單元類型有限元軟件采用大型結(jié)構(gòu)分析通用軟件ANSY S 。由于鋼錨箱厚度不大(相對于長寬尺寸,而且變形是以翹曲為主(亦即out-of-plan 的變形,因此有限元模型單元采

4、用板殼單元,此單元的優(yōu)點(diǎn)是既可以節(jié)省計(jì)算時(shí)間,而且計(jì)算精度也很高。具體采用S HELL63(稱為e l astic shell板殼單元。因它只支持線性彈性的材料模式,既具有彎曲能力和又具有膜力,可以承受平面內(nèi)荷載和法向荷載。本單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度:沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X 、Y 、Z 方向的平動(dòng)和沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X 、Y 、Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。應(yīng)力剛化和大變形能力已經(jīng)考慮在其中。3 2 空間有限元模型空間有限元模型見圖3、圖4。根據(jù)圣維南原理,建模范圍超過鋼錨箱范圍的68倍,以減少甚至消除邊界條件對鋼錨箱應(yīng)力的影響?？紤]錨箱為對稱布47低 溫 建 筑 技 術(shù)2010年第10期(總第148期置,計(jì)算圖示選取1

5、/2,對稱平面(x -y 上的節(jié)點(diǎn)邊界條件為u z = y =0;其它位置邊界條件均為固結(jié)(懸臂端除外。 3 3 荷載及加載圖示加載方式分三種:對稱加載、外側(cè)加載、內(nèi)側(cè)加載。其中,對稱加載是對1號錨箱(內(nèi)側(cè)錨箱和2號錨箱(外測錨箱同時(shí)施加軸向壓力,力的大小為1280t ;外側(cè)加載是對2號錨箱(外側(cè)錨箱施加軸向壓力,大小為1280t ;內(nèi)側(cè)加載是對1號錨箱(內(nèi)側(cè)錨箱施加軸向壓力,大小為1280t ?？紤]錨具對荷載的分配作用,實(shí)際加載為均布荷載作用在墊板上,作用面積為:A = !(2202-2102=1 35!104mm 2均布荷載為:q =P /A =9 48!105kN /m 24 空間有限元

6、計(jì)算結(jié)果及分析鋼材材料選擇如表1所示。表1鋼 材 材 料構(gòu)件縱梁及橫梁拱肋錨箱(包含墊板和端封板鋼材Q345qC Q370qC Q420qC 彈性模量/M Pa2 06!1052 06!1052 06!105泊松比0 30 30 3密度/kg m -3785078507850強(qiáng)度/M Pa203218247計(jì)算軸向壓力作用下鋼錨箱的應(yīng)力分布情況。計(jì)算結(jié)果選取von m ises 應(yīng)力,即第四強(qiáng)度理論下的等效應(yīng)力。由于鋼錨箱會產(chǎn)生相應(yīng)的塑性變形,所以,用von m i ses 應(yīng)力與鋼材的屈服強(qiáng)度比較,是符合實(shí)際工程要求的。由計(jì)算結(jié)果可知,三種加載方式對錨箱最終受力狀態(tài)影響不大,其中,比較不利的

7、狀態(tài)是對稱加載時(shí)錨箱的受力。所以,僅選取對稱加載情況下鋼錨箱各個(gè)鋼板的von m i ses 應(yīng)力進(jìn)行分析。整個(gè)鋼錨箱在承壓端受力較大,并存在較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于模型劃分會產(chǎn)生極個(gè)別奇異單元,從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果在個(gè)別位置處出現(xiàn)不正常應(yīng)力峰值,所以對計(jì)算后的結(jié)果進(jìn)行了峰值鈍化,以求得到合理的計(jì)算結(jié)果。各板件鈍化后峰值應(yīng)力如表2所示。表2各板件峰值應(yīng)力板件名稱峰值應(yīng)力/M Pa 屈服強(qiáng)度/M Pa 是否滿足強(qiáng)度要求錨墊板202247是1號鋼板(頂板302247否2號鋼板(底板302247否3號鋼板(內(nèi)側(cè)腹板315247否4號鋼板(外側(cè)腹板285247否加勁肋219247是端封板70 2247是

8、通過比較,3號鋼板(內(nèi)側(cè)腹板的受力最不利,同樣,在內(nèi)側(cè)加載和外側(cè)加載情況下,均有類似情況。5 結(jié)語通過有限元計(jì)算分析表明,鋼錨箱整體以承受壓力為主,各個(gè)板件主要承受彎矩。張拉端處受力比較集中,所以,各個(gè)板件在端部出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于S HELL63單元只支持線性彈性的材料模式,而在實(shí)際工程中,鋼錨箱各板件達(dá)到屈服應(yīng)力之后會發(fā)生一定的塑性變形,起到了釋放應(yīng)力的作用,從而降低了應(yīng)力集中處的峰值,即表2中鈍化后的數(shù)值。但是,鈍化后的峰值應(yīng)力與鋼材的屈服強(qiáng)度仍然是比較接近,為了保證結(jié)構(gòu)的絕對安全,建議增加板厚或提高鋼材等級,以保證結(jié)構(gòu)有較高的安全系數(shù)。參考文獻(xiàn)1 王新敏.ANSYS 工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析M .北京:人民交通出版社,2007.2 吳家龍.彈性力學(xué)M .北京:高等教育出版社,2001.3 彭霞,王行耐.鋼錨箱式索梁錨固區(qū)段有限元仿真分