橋梁施工卸落設(shè)備沙筒設(shè)計(jì)的簡化計(jì)算方法

橋梁施工卸落設(shè)備沙筒設(shè)計(jì)的簡化計(jì)算方法

1木錨.沙筒、木柱在橋梁施工過程中，如何方便有效地拆除和關(guān)閉?？蚣?、拱框架等輔助設(shè)備是結(jié)構(gòu)施工中的一個重要問題之一。目前，在橋路施工中，經(jīng)濟(jì)簡單明了的采伐閥主要包括木楔和沙筒。房間放在滿洲的拱上，通常是用拱。由于承受著巨大的壓力，沙筒可以被廣泛使用，比如大傾角拱和移動模框架。本文使用ANSYS有限元分析軟件對某大橋施工中使用的沙筒進(jìn)行了空間計(jì)算分析,分別考慮沙筒底部受約束和不受約束兩種工況,并進(jìn)行了足尺模型試驗(yàn),通過分析比較試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果,指出了目前普遍使用的設(shè)計(jì)計(jì)算方法存在的問題,提出砂筒設(shè)計(jì)的簡化計(jì)算公式.1空間模型的計(jì)算與分析1.1砂筒建模與約束橋梁施工用的砂筒構(gòu)造如圖1所示,本文分析計(jì)算模型的幾何尺寸采用我省某一高速公路特大橋梁移動模架拆卸裝置原始尺寸.砂筒的頂心直徑d1等于43cm,砂筒內(nèi)壁直徑d2為45cm,泄砂孔直徑d3為5cm,頂心放入砂筒的深度H2為7cm,降落高度H1為39cm,砂筒壁厚δ為1cm.內(nèi)裝砂子的砂筒由鑄鐵制成圓筒,砂筒上面的頂心也由鑄鐵制成.砂筒與頂心的空隙用瀝青填塞,以免砂子受潮不易流出.卸架是靠砂子從砂筒下部的泄砂孔流出而實(shí)現(xiàn)的.考慮到砂筒的幾何形狀具有軸對稱性,在算例中取砂筒的四分之一進(jìn)行建模分析,模型如圖2所示.選用ANSYS提供的SOLID95單元,該單元是一種高精度20節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元,對模型實(shí)施映射網(wǎng)格劃分,模型共有960個單元和5637個節(jié)點(diǎn),如圖2所示.在用有限元分析模型時,應(yīng)盡可能地與實(shí)際結(jié)構(gòu)邊界條件一致滿足邊界條件,即模型的約束應(yīng)與實(shí)際約束狀況相一致,以保證分析結(jié)果的有效性.根據(jù)結(jié)構(gòu)的軸對稱特性,砂筒沿圓周方向只受拉應(yīng)力,所以在模型沿周向應(yīng)設(shè)置相應(yīng)沿徑向滑動、沿圓周方向約束的邊界約束;砂筒底部分約束有焊接在鋼板上和自由放置在鋼板上兩種,對于焊接約束,給砂筒底部施加固結(jié)支座約束,即ALLDOF=0;而對于自由放置認(rèn)為砂筒底部為自由狀態(tài).1.2筒壁區(qū)域內(nèi)應(yīng)力的變化為簡化計(jì)算,將頂心所受荷載均勻分布到砂子表面,砂子內(nèi)部各向均勻傳遞壓力,認(rèn)為筒壁受到筒內(nèi)砂子施加的均勻表面壓應(yīng)力作用,同時考慮砂自重的影響,等效為沿筒壁周向的均布壓力.由模架施加到頂心的壓力為1300kN,計(jì)算得到施加到砂筒內(nèi)表面的壓力為8.95MPa.分別按砂筒底部有約束和無約束計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如圖3～圖6所示.從圖3、4的徑向位移計(jì)算結(jié)果可知,有約束的位移最大值為0.213mm,沒有約束時最大值為0.211mm,兩種工況計(jì)算得到的結(jié)果十分接近,但是應(yīng)該看到的是,有約束時最大位移出現(xiàn)的位置離底部11cm,比沒有約束最大值位置29cm要低,且出現(xiàn)較大位移的長度相對比較短,經(jīng)查看計(jì)算結(jié)果,兩種工況均在砂筒上部有約3cm的范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)有內(nèi)縮的現(xiàn)象.從圖5、6的切線方向(其中的一個側(cè)面為X軸方向)應(yīng)力云霧圖可知,兩種工況的切向拉應(yīng)力也是很接近的,其中有約束的最大切向應(yīng)力為202MPa,沒有約束的為204MPa,同樣有約束的最大應(yīng)力值出現(xiàn)的部位(圖5的MX位置)離筒底11cm,而沒有約束時最大值出現(xiàn)的位置離筒底28cm.圖7給出了筒底有約束時Z(沿筒的軸向)軸方向的應(yīng)力云霧圖,在Z軸方向,應(yīng)力最大位置出現(xiàn)在砂筒與底座連接處,最大應(yīng)力為346MPa,而沒有約束時,Z軸方向應(yīng)力只是鋼筒自重引起的很小應(yīng)力,這充分表明,實(shí)際工程中應(yīng)該盡量使砂筒筒壁與承砂托盤間自由移動,減小摩擦,以減小筒底部的局部應(yīng)力集中.2筒壁殘余變形測試結(jié)果為進(jìn)一步驗(yàn)證上述空間計(jì)算結(jié)果的可靠性,使用上述計(jì)算模型的尺寸制作了足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ?筒底與托盤之間沒有約束,使用萬能試驗(yàn)機(jī)加載,由于試驗(yàn)條件所限,本次試驗(yàn)只測試了筒的徑向位移,測試結(jié)果如表1所示.在距離筒頂部19cm處,沿筒四周均勻布置4個測點(diǎn),使用百分表測試位移,由于試驗(yàn)加載沒有完全對中,各測點(diǎn)結(jié)果有一定的差別,從表1測試結(jié)果的平均值可知,完全卸載后的殘余變形約為最大值的10%,說明結(jié)構(gòu)在彈性范圍工作,試驗(yàn)與空間計(jì)算結(jié)果很接近,這也可以說明空間計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果是可信的.3筒壁面為4d21122-3d22222222345454.3454545452222222223使用文獻(xiàn)2提出的簡化公式,按照上述的空間計(jì)算模型尺寸,可以計(jì)算得到砂筒切向應(yīng)力為:σ=T(H1+H2?d3)=4Pπd21d2H1(H1+H2?d3)δ=4×1300000π?0.41d2×0.43×0.39(0.39+0.9?0.5)×0.01=384016924Pa≈384σ=Τ(Η1+Η2-d3)=4Ρπd12d2Η1(Η1+Η2-d3)δ=4×1300000π?0.41d2×0.43×0.39(0.39+0.9-0.5)×0.01=384016924Ρa≈384MPa(1)從空間計(jì)算和試驗(yàn)研究結(jié)果表明,上述公式計(jì)算的結(jié)果是很保守的,一方面,公式考慮筒所有截面整體受力,而事實(shí)上,在沒有砂部分的筒是不受拉的,這會導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不安全;而另一方面,公式承拉面積只考慮了一半,這將使計(jì)算結(jié)果增大一倍,綜合考慮兩方面的因素,簡化公式(1)的計(jì)算還是很安全.根據(jù)以上分析,為更加真實(shí)的計(jì)算砂筒的最不利內(nèi)應(yīng)力,綜合考慮各方面因素,提出以下簡化計(jì)算公式:σ=T2(H1?d3)δ=2Pπd21d2H1(H1?d3)δ(2)σ=Τ2(Η1-d3)δ=2Ρπd12d2Η1(Η1-d3)δ(2)本文算例按2式計(jì)算的結(jié)果為:242MPa,與空間計(jì)算結(jié)果比較吻合,可以作為實(shí)際工程有一定安全貯備的簡單計(jì)算公式.應(yīng)該指出的是,文中的計(jì)算均認(rèn)為砂可以將砂面承