系桿拱橋吊桿錨固區(qū)應(yīng)力分析

系桿拱橋吊桿錨固區(qū)應(yīng)力分析

0吊桿錨固構(gòu)造及其局部受力分析在拱橋結(jié)構(gòu)中，吊索是連接拱頂和拱頂?shù)闹匾獋髁M件，是拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要節(jié)點(diǎn)。鉤子結(jié)構(gòu)的有效性和安全性尤為重要。目前，國內(nèi)很多學(xué)者在拱橋或其他橋梁結(jié)構(gòu)體系的吊桿錨固構(gòu)造及其局部受力分析方面，取得了很多研究成果?？琢钗?、王沖和康俊濤等人利用有限元分析軟件對(duì)拱橋吊桿錨固區(qū)的不同構(gòu)造進(jìn)行了對(duì)比，通過建立實(shí)體模型，得到吊桿錨固區(qū)局部應(yīng)力分布規(guī)律參考目前已有的研究成果，利用ANSYS作為分析工具，通過建立吊桿及一定范圍內(nèi)鋼縱梁錨固區(qū)的有限元模型，在最不利狀況吊桿力作用下，進(jìn)行局部應(yīng)力和穩(wěn)定分析，并且結(jié)合規(guī)范相關(guān)條文進(jìn)行驗(yàn)算，以驗(yàn)證吊桿錨固區(qū)構(gòu)造的合理及有效性。1中間拱肋設(shè)計(jì)本文以金匯港大橋?yàn)楣こ瘫尘?。該橋是G228公路跨越金匯港航道的重要節(jié)點(diǎn)，橋型為單跨125m的下承式簡支鋼箱系桿拱橋，橋面系結(jié)構(gòu)為鋼-混組合梁。橋梁采用三片拱肋布置，中間拱肋位于中央分隔帶內(nèi)，中拱肋與邊拱肋間布置機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車道，橋?qū)捁灿?jì)44.6m。拱橋中縱梁及邊縱梁采用鋼箱斷面，內(nèi)部不設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束，而是利用鋼結(jié)構(gòu)箱體作為系梁承擔(dān)拱腳水平推力。鋼箱內(nèi)部預(yù)留出吊桿張拉空間及檢修人孔。拱肋采用矩形鋼箱斷面，拱肋矢高25m，矢跨比1/5，單片拱肋共設(shè)置19根吊桿。全橋拱肋共設(shè)置3道一字橫撐，橫撐采用矩形鋼箱斷面。橋梁設(shè)計(jì)使用年限100年，設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)，道路等級(jí)為一級(jí)公路，設(shè)計(jì)速度60km/h。橋梁整體桿系有限元模型見圖1。2采用分布式支架加固區(qū)模型2.1整體計(jì)算結(jié)果首先利用MIDAS建立全橋桿系有限元模型。作用于拱橋上的設(shè)計(jì)荷載包括恒載、汽車荷載、非機(jī)動(dòng)車及人群荷載、溫度作用、風(fēng)荷載、混凝土收縮徐變和二期荷載（附屬結(jié)構(gòu)）等。根據(jù)拱橋整體計(jì)算結(jié)果，確定吊桿力最不利工況下的數(shù)值和作用位置，即中拱肋距端部第三根吊桿位置。分別考慮正常運(yùn)營工況和斷吊桿工況，荷載基本組合下的內(nèi)力結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，斷吊桿工況下，最大吊桿力及相應(yīng)內(nèi)力更不利。因此選擇斷吊桿工況進(jìn)行吊桿錨固區(qū)局部分析。2.2局部分析計(jì)算吊桿張拉端位于縱梁鋼結(jié)構(gòu)箱體內(nèi)，需要預(yù)留出足夠的施工操作空間及檢修通道。吊桿與縱梁錨固區(qū)由于受到吊桿集中力作用，局部應(yīng)力較大，采用十字加勁板形式的錨固區(qū)構(gòu)造。吊桿索力傳遞路徑依次為吊桿、錨墊板、承壓板、橫隔板、錨管、縱梁腹板及頂板。其中主要板件厚度如下：錨墊板厚50mm，承壓板厚25mm，橫隔板厚20mm/25mm，錨管及加勁板厚16mm。鋼的彈性模量采用2.1×10為了更準(zhǔn)確地分析吊桿錨固部位的應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)圣維南原理，吊桿錨固區(qū)受力分析范圍不宜過小，故選取12m長節(jié)段中縱梁（吊桿兩側(cè)各6m）及與縱梁相交的中橫梁進(jìn)行分析。局部分析計(jì)算軟件選用AN-SYS，一般厚度鋼結(jié)構(gòu)板件采用shell63單元模擬，錨墊板等較厚的鋼構(gòu)件用shell43單元模擬。局部有限元模型邊界條件：對(duì)縱梁一端節(jié)點(diǎn)施加固結(jié)約束，縱梁另一端節(jié)點(diǎn)約束豎向平動(dòng)自由度，釋放沿縱梁方向平動(dòng)自由度及轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，對(duì)中橫梁末端節(jié)點(diǎn)施加固結(jié)約束。局部模型荷載考慮結(jié)構(gòu)自重、吊桿拉力和模型邊界內(nèi)力等荷載，其中吊桿拉力垂直作用于錨墊板。有限元模型網(wǎng)格劃分時(shí)，將吊桿錨固區(qū)附近有限元網(wǎng)格加密，其他位置逐漸稀疏，以保證吊桿錨固核心區(qū)域應(yīng)力結(jié)果有較高的精確度。局部有限元模型如圖4、圖5所示。3錨管應(yīng)力分析在上述荷載作用及邊界條件下，吊桿錨固區(qū)的整體應(yīng)力分布如圖6所示。從圖6中可以看出，除了錨墊板與加勁板相交處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象外，其他板件應(yīng)力水平均維持在較低水平。從圖6、圖7可以看出，吊桿錨固區(qū)最大應(yīng)力出現(xiàn)在短加勁板與錨墊板相交處，力流隨著十字加勁板向縱梁腹板、頂?shù)装寮皺M隔板迅速擴(kuò)散，板件有效應(yīng)力從最大值266MPa逐步衰減至60MPa左右。從圖8、圖9可以看出，錨墊板應(yīng)力分布對(duì)稱，最大有效應(yīng)力出現(xiàn)在與十字加勁板相交處，數(shù)值約為215MPa。錨管應(yīng)力分布分為三個(gè)區(qū)段：錨墊板至水平加勁板段錨管最大有效應(yīng)力為215MPa，平均有效應(yīng)力約110MPa；水平加勁板至縱梁頂板段錨管平均應(yīng)力約為45MPa；縱梁頂板外錨管應(yīng)力水平極低。對(duì)選取的節(jié)段模型，在不利工況下進(jìn)行特征值屈曲分析。假定結(jié)構(gòu)處于彈性受力狀態(tài)，并且不存在初始缺陷，第一階彈性穩(wěn)定系數(shù)為15.700，失穩(wěn)模態(tài)為與縱梁相連的中橫梁腹板屈曲失穩(wěn)，吊桿錨固區(qū)彈性穩(wěn)定系數(shù)滿足規(guī)范要求。4吊桿錨固區(qū)支護(hù)設(shè)計(jì)在全橋有限元模型的基礎(chǔ)上，得到系桿拱橋整體內(nèi)力，然后選取最不利荷載工況及合適的邊界條件，建立更為精細(xì)的吊桿與縱梁錨固區(qū)局部模型。通過對(duì)吊桿錨固區(qū)局部受力分析，可以得出以下結(jié)論：(1）拱橋吊桿錨固集中力通過錨墊板、十字加勁板和錨管向周邊構(gòu)件迅速擴(kuò)散，各鋼結(jié)構(gòu)板件在不利工況下的有效應(yīng)力能夠滿足規(guī)范要求。(2）吊桿集中力作用于錨墊板上，與錨管和十字加勁板等主受力鋼構(gòu)件直接接觸。從應(yīng)力結(jié)果可以看出，靠近錨墊板處的十字加勁板平均有效應(yīng)力約為120MPa左右，錨管平均有效應(yīng)力約為150MPa，明顯偏大。因此建議錨管板厚與十字加勁板厚度不應(yīng)相差太大，防止錨管頂部局部應(yīng)力過大。(3）局部有限元模型失穩(wěn)出現(xiàn)在中橫梁腹板位置，可以看出吊桿錨固區(qū)整體剛度較