某系杆拱桥边跨钢结构变形与应力分析

来源：职称驿站所属分类：建筑设计论文发布时间：2012-07-31 09:59:35浏览：次

　　摘要：本文重点对某系杆拱桥边跨钢结构进行了变形与应力分析。分析结果显示：系杆拱桥边跨钢结构变形满足规范要求，系杆拱桥边跨钢结构mises应力处于可控范围之内。系杆拱桥边跨钢结构设计合理可靠，为类似系杆拱桥的设计提供了参考。
　　关键词：系杆拱桥；钢结构；变形；应力
　　1工程概况
　　某中承式钢拱桥布置为46+138+46＝230m。上部结构采用三跨双索面中承式系杆拱桥方案，主拱采用异形钢箱拱，主梁为等截面钢－混凝土叠合梁结构，吊杆采用高强度镀锌平行钢丝斜拉索，沿系梁布置水平系杆索。拱肋之间设置拱上横撑和梁下横梁使其连成整体。其立面布置如下图1所示。
　　图1立面布置图
　　主要构件材料及性能如下：
　　1)混凝土：
　　主梁桥面板采用C50混凝土，桩基采用C30混凝土，各种标号混凝土主要力学性能见下表1。
　　表1混凝土材料性能表
　　混凝土标号 C50 C30
　　应用结构主墩桩基
　　力
　　学
　　性
　　能弹性模量E 34500 30000
　　剪切模量G 13800 12000
　　泊松比γ 0.2 0.2
　　轴心抗压设计强度 22.4 13.8
　　抗拉设计强度 1.83 1.39
　　热膨胀系数(℃) 0.000010 0.000010
　　2)结构钢材：
　　拱肋、主梁钢结构采用Q345qD钢材。其主要力学性能见下表2。
　　表2结构钢材性能表
　　钢种 Q345qD
　　应用结构主梁、拱肋
　　力
　　学
　　性
　　能弹性模量E 210000
　　剪切模量G 81000
　　泊松比γ 0.3
　　轴向容许应力[σ] 200
　　弯曲容许应[σw] 210
　　容许剪应力[τ] 120
　　屈服应力[σs] 345
　　热膨胀系数(℃) 0.000012
　　吊杆、体外系杆用钢材：吊杆、系杆材料采用高强度镀锌平行钢丝，其主要力学性能见下表3。
　　表3斜拉索材料性能表
　　材料高强钢丝
　　应用结构吊索
　　力学
　　性能弹性模量E 205000
　　标准强度σy 1670
　　热膨胀系数 0.000012
　　2计算模型
　　2.1模型建立
　　采用有限元软件ANSYS11.0，建立有限元计算模型，采用实体单元（Solid45）和板单元（Shell63）进行模拟。实体单元用来模拟桥面板混凝土；板单元用来模拟边跨腹板、梁部顶板、梁部底板、中横梁、小纵梁和横隔板等。车辆荷载驾驭混凝土桥面板上。如下图2所示。
　　图2有限元模型图示
　　2.2计算荷载
　　该模型为局部模型，主要模拟边跨钢结构在对称满布双车道车辆荷载情况下局部变形和应力的大小及分布情况，其中车辆荷载选择《城市桥梁设计规范》（GJJ11-2011）中的城-A级车辆荷载，即五轴式货车加载，总重700kN，纵向轴距18.0m，每组车轮的横向中距1.8m。
　　2.3约束处理
　　如下图3所示，模型约束边拱端部所有节点的三个平动自由度和三个转动自由度，约束边跨梁端部节点的竖向和横向平动自由度，同时约束边跨主梁（与主跨主梁相接处）节点的竖向和横向平动自由度。
　　图3有限元模型加载图示
　　3结果分析
　　如下图4所示，本模型主要关心边跨钢结构的变形和应力。
　　图4边跨钢结构图
　　3.1变形结果
　　模型边跨钢结构三个方向的变形云图，如下图5~7所示。
　　图5模型竖向(UY)变形图(单位：mm)
　　图6模型横桥向(UZ)变形图(单位：mm)
　　图7模型顺桥向(UX)变形图(单位：mm)
　　由图可以看出：
　　边跨钢结构最大竖向变形UY=21.5mm，位于小纵梁底板处；
　　边跨钢结构最大横桥向变形UZ=6.2mm，位于边拱外腹板处；
　　边跨钢结构最大顺桥向变形UX=4.2mm，位于边拱梁端处。
　　以上变形结果均满足相关规范要求。
　　3.2应力结果
　　模型边跨钢结构的mises应力云图，如下图8~14所示。
　　图8模型整体mises应力图(单位：MPa)
　　图9边跨腹板mises应力图(单位：MPa)
　　图10梁部顶板mises应力图(单位：MPa)
　　图11梁部底板mises应力图(单位：MPa)
　　图12中横梁mises应力图(单位：MPa)
　　图13小纵梁mises应力图(单位：MPa)
　　图14横隔板mises应力图(单位：MPa)
　　由图可以看出：
　　边跨钢结构整体mises应力最大值σmax=269.7MPa，位于拱梁节点处边跨腹板上；
　　梁部顶板最大mises应力σmax=40.6MPa，位于边跨梁端部；
　　梁部底板最大mises应力σmax=66.1MPa，位于边跨拱梁节点处；
　　中横梁最大mises应力σmax=94.4MPa，位于边跨中横梁底部；
　　小纵梁最大mises应力σmax=32.6MPa，位于边跨小纵梁底部；
　　横隔板最大mises应力σmax=107.8MPa，位于边跨拱梁节点处；
　　以上结果除边跨钢结构整体mises应力σmax=269.7MPa外，其余应力均满足相关规范要求。
　　边跨钢结构整体mises应力最大值σmax位于拱梁节点处边跨腹板上，该板板厚20mm，为了结构安全，可以采取加厚腹板的方式加以改善应力情况；同时，该处应力最大值σmax可能为应力集中点，可以加以剔除。总之，工程中有足够办法可以使应力最大值σmax降低。
　　4结论
　　本文重点对某系杆拱桥边跨钢结构进行了变形与应力分析，分析结果表明：
　　（1）系杆拱桥边跨钢结构变形满足规范要求。
　　（2）系杆拱桥边跨钢结构mises应力处于可控范围之内。
　　（3）系杆拱桥边跨钢结构设计合理可靠，满足相关工程技术的要求，为类似工程结构设计提供了参考。
　　参考文献
　　[1]龚曙光，谢桂兰.ANSYS操作命令与参数化编程[M].北京：机械工业出版社,2004.
　　[2]上海市政工程设计研究总院.城市桥梁设计规范(GJJ11-2011)[S].北京：中国建筑工业出版社,2011.
　　[3]中交公路规划设计院.公路桥涵设计通用规范(JTGD60-2004)[S].北京：人民交通出版社,2004