钢管混凝土拱桥管节点应力及应力集中有限元分析

1、摘要钢管混凝土结构具有承载力高、塑性和韧性好、制作和施工方便、耐火性能好、经济性好等优点,近年来在桥梁建设中,特别是在以受压为主的拱桥中获得了广泛的应用。在这些拱桥结构的节点中,荷载由支管直接传给主管,由于支管的轴向刚度远远大于主管的径向刚度,主支管的相贯线成为整个结构的薄弱环节。合理的节点构造及其设计方法引起了世界各国研究者的关注。本文所做工作为西部交通建设科技项目“钢管混凝土拱桥设计、施工与养护关键技术研究”的部分内容,主要研究内容如下:(1简要介绍了钢管混凝土的结构特点及钢管混凝土在拱桥中的发展情况,提出了钢管混凝土拱桥的设计需注意的问题,并介绍了圣维南原理及其在钢管混凝土中的应用;(2

2、根据已建四管桁式钢管混凝土拱桥湖南益阳茅草街大桥,选取工程中三类典型节点DTY型、XYT型、DTDY型管节点为研究为对象,基于ANSYS,建立了钢管混凝土拱桥的节点实体模型,分析和比较了它们的静力性能,讨论了其应力变化情况;(3对DTY型、XYT型、DTDY型主管内填混凝土节点和空钢管节点分析计算了不同节点在轴力作用及在轴力加弯矩作用下随支管管径变化与主支管变化的应力集中系数的变化,研究发现空钢管状态下节点应力集中要比主管内填混凝土情况下的节点应力集中明显得多;支管仅受轴力作用下比受轴力与弯矩共同作用应力集中要明显很多。关键词:钢管混凝土拱桥;圣维南原理;管节点;应力分析;应力集中ABSTRA

3、CTRecently,the concrete-filled steel tubular structure is adopted widely in bridge engineering,which is high of load-carry capacity,good at plasticity and malleability, easy to execute and construct,excellent in fire resistance and economy.For this reason,this kind of combined material is applied to

4、 arched bridge that is mainly oppressed.In the joints on this type of arched bridges,the forces are to be spread to the brace through the chord directly.Because the axial rigidity of the brace is much bigger than the radial rigidity of the chord,the border becomes the weakest part of the whole struc

5、ture.The reasonable design of this type of joint has attached the researchersa t t e n t i o n a l l o v e r t h e w o r l d.A s t h e p a r t o f“The key techniques of the design,construction and maintenance of concrete-filled steel tubular arch bridges”supported by the Science and Technology Item

6、of Construction of the Westward Traffic,The main contents are detailed as following:(1The feature and the development situation in arch bridge of the steel pipe concrete are briefly introduced.the item pay attention to designing the concrete-filled steel tubular arch bridge has put forward,and there

7、 are the introduction of the Saint Venant's principle and the application in the concrete-filled steel tubular structure.(2According to a four-tubes of truss concrete-filled steel tubular arch bridge-The maocao street bridge,in Yiyang,Hunan province,China,three typical nodes in this project,that

8、 is,DTY,XYT and DTDY tubular joints,are chosen as the objects to study.With the help of ANSYS,the entity models of the concrete-filled steel tubular are set up to analyze,and then static characteristics are carefully compared.Finally, the regulars of their stress variation are particularly investiga

9、ted.(3the analysis and calculation on variation of stress concentrate factor for both concrete-filled steel tubular and hollow steel tubular DTY joints,XYT joints,DTDY joints under the axial strength or axial and bending loadings together function in brace along with the variation of diameter of bra

10、ces and the included angle of braces and chords the have carried out.The results show that the concrete-filled steel nodes are more obvious than the empty steel tube nodes on stress concentrate phenomenon and as well as nodes under the function of axial strength than axial and bending loadings toget

11、her function in brace.钢管混凝土拱桥管节点应力及应力集中有限元分析KEY WORDS:concrete-filled steel tubular arch bridge;Saint Venant's principle; tubular joints;Static analysis;stress concentration湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确

12、方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名:日期:年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密,在_年解密后适用本授权书。2、不保密。(请在以上相应方框内打“”作者签名:日期:年月日导师签名:日期:年月日I硕士学位论文第1章绪论1.1钢管混凝土拱桥概况拱桥是一种以受压为主的结构,可以利用抗压强度高、抗拉强度低

13、的圬工材料修建,当地基条件较好,足以抵抗支座处的水平分力时,这种结构具有很大的经济性。拱桥的适用跨径范围较大,从几十米到三四百米、甚至更大(于1997年建成通车的混凝土拱桥万县长江大桥主跨为420m;2004年建成通车的钢管混凝土拱桥巫山长江大桥主跨达460m;钢桁架或钢箱拱桥中,朝天门大桥和卢浦大桥已达到550多米1。此外,在山区深沟峡谷、库区等地形条件下,大跨拱桥能避免高墩或高塔的建造,单跨拱桥不需要像连续梁、斜拉桥那样用边跨来平衡主跨,因此具有很强的竞争力。长期以来,圬工和钢筋混凝土拱桥在我国得到广泛的应用。然而,圬工钢筋混凝土拱桥的自重较大,无支架施工困难等缺陷限制了其跨径进一步增大,

14、随着经济的发展、劳动力价格的提高和建筑材料供应的充分和价格的相对下降,拱桥的经济性和技术先进性日益受到其他桥型的挑战。上个世纪八十年代末,我国在西南地区开始了将钢管混凝土结构应用于拱桥的实践。1990年第一座钢管混凝土拱桥四川旺仓东河大桥建成2。此后,这种桥型在我国的公路建设中得到大量的应用和发展,据不完全统计,已建成和在建的钢管混凝土拱桥已达200余座3。目前,已建成的钢管混凝土拱桥的跨径达到460m(重庆巫山长江大桥3。因此,研究钢管混凝土拱桥的受力特点,具有重要的实际和理论意义。钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件,是使其二者有机结合的一种组合结构,其本质上属于箍套混凝土。钢管混

15、凝土是在劲性钢筋混凝土及螺旋配筋混凝土的基础上演变和发展起来的,按截面形式的不同,可分为方钢管、圆钢管和多边形钢管混凝土。在实际工程中,应用最广泛的是圆钢管混凝土,且管内只浇灌素混凝土,不再配置钢筋或钢骨。钢管混凝土的基本原理是:(1借助内填混凝土来增强钢管壁的稳定性;(2借助钢管对核心混凝土的套箍(约束作用,使核心混凝土工作时处于三向受压状态,从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和抗压缩变形能力。所以,钢管混凝土在本质上也就是由钢管对混凝土实行套箍强化的一种套箍混凝土。由于利用了钢管和混凝土两种材料在受力过程中相互间的组合作用,即钢管的约束作用提高了内填混凝土的抗压强度和弹性模量,混凝土的支撑

16、提高了钢管的稳定性4,充分发挥两种材料的优点,改善了组成材料的力学性能。因而,钢管混凝土具有一系列优越的力学性能。钢管混凝土具有以下几个特点:(1承载力高对于薄壁钢管来说,由于对局部缺陷很敏感,其承载力是极不稳定的。在钢管中灌混凝土形成钢管混凝土构件后,钢管约束了混凝土,延缓了混凝土受压时的纵向开裂,而混凝土也大大延缓了薄壁钢管的局部稳定,两种材料相互弥补了彼此的弱点,充分发挥了各自的长处,从而使钢管混凝土具有很高的承载能力,其承载力大大高于二者单独承载力之和。(2塑性和韧性好单向受力时混凝土的破坏特征属于脆性破坏,对于高强度混凝土(50MPa cu f ,cu f 为混凝土立方试块强度尤其如

17、此,但钢管混凝土中的核心混凝土在钢管的约束下,不仅在使用阶段改善了它的弹性性能,而且在破坏时也能产生很大的塑性变形,从而使钢管混凝土具有优良的抗震性能。在冲击荷载或振动荷载作用下,这种结构也能表现出很好的韧性,因而抗震性能好。(3制作和施工方便与钢筋混凝土相比,钢管混凝土没有绑扎钢筋、支模和拆模等工序,施工简便。此外混凝土的浇灌更为方便,特别是目前采用泵送混凝土、高位抛落免振混凝土和自密实混凝土等工艺,更可加速钢管混凝土的施工进度。与预制钢筋混凝土构件相比,钢管混凝土不需要构件预制场地。与钢结构构件相比,钢管混凝土的构件通常更为简单,因而焊缝少,更易于制作。特别是在钢管混凝土中可更为广泛地采用

18、薄壁钢管,因而进行钢管现场拼接对焊更为简易快捷,此外,由于空钢管构件的自重小,可以减少运输和吊装等费用。钢管混凝土在施工制造方面发展的一个重要方向是其钢管制造的标准化。钢管混凝土本身的施工特点符合现代施工技术工业化的要求,可以节约人工费用,降低工程造价,加快建设速度。(4耐火性能好钢管内填有混凝土,在高温情况下,由于核心混凝土可吸收钢管传来的热量,从而使其外包钢管的升温滞后,这样钢管混凝土中钢管的承载力损失要比纯钢结构相对更小,而钢管也可以保护混凝土不发生崩裂现象。火灾作用下,随着外包钢管温度的不断升高,其承载力会不断降低,并把卸下的荷载传递给温升较慢、且具有较高承载力的核心混凝土。这样由于组

19、成钢管混凝土的钢管和其核心混凝土之间具有相互贡献、协同互补和共同工作的优势,使这种结构具有较好的耐火性能。火灾后,随着外界温度的降低,钢管混凝土结构已屈服截面处钢管的强度可以得到不同程度的恢复,截面的力学性能比高温下有所改善,结构的整体性比火灾中也有所提高,这不仅为结构的加固补强提供了一个较为安全的工作环境,也可以减少补强工作量,降度维修费用。(5经济性好作为一种组合结构构件,采用钢管混凝土不仅施工方便,而且可以很好的发挥钢材和混凝土两种材料的力学特性,使它们的优点得到更为充分和合理的发挥,因此,采用钢管混凝土一般都具有很好的经济效果。大量工程实际经验表明5:采用钢管混凝土的承压构件比普通钢筋

20、混凝土承压构件可节约混凝土50%,减轻结构自重50%左右。钢材用量略高或约相等;和钢结构相比,可节约钢材50%左右6。此外,由于在钢材内填充了混凝土,钢管混凝土的防锈费用会较空钢管有所降低。钢管混凝土结构在早期的应用中,一般不考虑钢管与其核心混凝土间相互作用对承载力的提高。另外,早期钢管混凝土中采用的钢管大多是热扎管,钢管的壁厚一般都比较大,且由于当时钢管内混凝土的浇筑工艺也未得到很好的解决,因而应用钢管混凝土的经济效果并不是很明显,从而使钢管混凝土的推广应用受到一定影响。1939年,前苏联著名的桥梁专家Perederiry率先用钢管混凝土建造了跨越列宁格勒涅瓦河的拱梁组合体系公路桥,跨度达1

21、01m;与此同时,前苏联Rosnovskiy教授在西伯利亚也建造了一座跨度达140m的铁路桁肋钢管混凝土拱桥。而钢管混凝土拱桥应用最广泛的是中国。将钢管混凝土用于拱桥,符合拱桥建设中要求材料高强和拱圈无支架施工及轻型化的发展方向7。钢管混凝土在拱桥上的应用主要有两类:一是钢管劲性骨架拱桥(Steel Tube Framed Concrete Arch Bridge,简称STFC拱桥,二是钢管混凝土拱桥(Concrete Filled Steel Tubular Arch Bridge,简称CFST拱桥。钢管劲性骨架拱桥是先将钢管用于施工时的劲性骨架,然后再内灌混凝土并与外包混凝土共同形成断面,

22、钢管混凝土参与拱桥建成后的受力,其截面设计由施工阶段的受力状态控制;钢管混凝土拱桥是将钢管混凝土直接用作拱桥结构的主要受力部分,同时也作为结构施工时的劲性骨架,其截面设计由成桥阶段和施工阶段两种受力状况控制。从实践看,外包混凝土存在施工工序复杂、高空作业多、施工条件差、工程质量不易保证、工期长等问题,因此,随着拱桥跨度的增大,近年来修建更多的是钢管混凝土拱桥。采用钢管混凝土作为拱桥的拱肋,主要有下列优点:(1钢管混凝土结构最适合用于轴心受压构件,在公路和城市拱桥中,恒载占有比较大的比例,通过合理选择拱轴线,可减少拱肋中的弯矩,因而可以发挥钢管混凝土抗压承载力高的优势,从而节省材料以获得较大的经

23、济效果。(2由于在拱肋第一次形成时仅是空心钢管拱肋结构,所以,与传统的钢筋混凝土拱肋相比,钢管混凝土拱桥的拱肋吊装重量要小得多。从拱桥施工方法上考虑,钢管混凝土拱桥就有向大跨径方向发展的可能。(3向管内浇灌混凝土采用先进的泵送施工方法。一根直径80cm,弧长150m 的钢管拱肋,一般只要45个小时即可泵送完成。而对于钢筋混凝土拱桥则需要绑扎钢筋、立模,然后分段灌注,工序十分繁琐,工期时间也长。(4由于拱肋自重的减小,使桥墩负担减小,节省了基础费用。(5和过去常用的钢筋混凝土拱桥相比,不存在混凝土开裂问题5。基于以上特点,钢管混凝土拱桥在出现后,很快得到了桥梁界的认同。已建跨径最大的钢管混凝土拱

24、桥巫山长江大桥达460m。这些都是桥梁建设设计史的大工程。表1-1列举了我国目前已建和在建的200m以上的钢管混凝土拱桥2。近十年来,随着钢管混凝土结构技术日趋成熟,钢管混凝土结构在我国土木建筑工程领域的应用规模和发展速度都是惊人的,我国钢管混凝土结构技术的发展正处在一个崭新的历史时期。但必须注意的是,钢管混凝土拱桥对钢管的加工质量、吊装过程中拱肋钢结构的焊接质量要求较高;另外,在污染较严重和拱圈常年被污水浸泡的地方,也不太适宜修建钢管混凝土拱桥。表1.1钢管混凝土桁式拱桥一览表序号桥名建成年份跨径(m矢跨比拱轴线形结构形式拱圈(肋截面形式1四川巫山长江大桥20051/5中承式四管桁式2湖南南

25、县茅草街大桥20061/5m=1.543悬链线飞鸟式四管桁式3广东广州丫髻沙大桥20001/4.5m=2.0悬链线飞鸟式六管桁式4广西南宁永和大桥在建3381/4.5中承式四管桁式5浙江淳安县南浦大桥在建3081/5.5m=1.167悬链线中承式四管桁式6重庆奉节梅溪河桥20011/5悬链线上承式四管桁式7湖北武汉汉江三桥20001/5m=1.543悬链线下承式四管桁式8广西三岸邕江大桥19981/5m=1.167悬链线中承式四管桁式9湖北秭归青干河大桥20021/4.95三次样条函数中承式四管桁式10浙江三门健跳大桥在建2451/5二次抛物线中承式横哑铃形桁式11湖北武汉江汉五桥20001/

26、5m=1.5悬链线飞鸟式四管桁式12贵州落脚河大桥待建240中承式集束五管变截面13浙江铜瓦门大桥在建2381/4.82修正二次抛物线中承式单片桁式14贵州北盘江铁路桥20011/4下承式四管桁式15江苏徐州京杭运河桥20021/4m=1.33悬链线飞鸟式四管桁式16广西六景郁江大桥19991/5m=1.543悬链线中承式四管桁式17湖北恩施南泥渡大桥2201/5m=1.756悬链线上承式四管桁式18重庆合川嘉陵江大桥20021/4m=1.6悬链线中承式四管桁式19四川眉山岷江大桥在建206飞鸟式四管桁式20四川绵阳涪江大桥19972飞鸟式四管桁式21广东南海三山西大桥19951/4.5m=1

27、.3悬链线飞鸟式横哑铃桁式1.2钢管混凝土拱桥的设计理论及方法目前世界各国的桥梁设计理论,都在从容许应力状态理论向极限状态理论过渡7。极限状态这一概念最早是苏联在50年代提出,现已得到全世界范围内得到广泛应用。当采用容许应力法来进行计算时,大多是将钢管与混凝土视为简单的组合,换算为钢筋混凝土截面偏心受压构件,按现行桥规8中的钢筋混凝土结构来进行检算。对于桁架拱桥中的支杆和横联杆等不灌注混凝土的空钢管,则按桥规钢结构的容许应力法进行验算。其中,相贯线焊连的疲劳设计多参用美国焊接学会编制的钢结构焊接规范(ANSI/AWSD1.19,同时引用其相应的焊接要求。这种设计方法没有考虑到钢管对混凝土的套箍

28、力使核心混凝土承载力得以提高的有利作用,因此,采用钢筋混凝土容许应力法来设计钢管混凝土拱肋是偏于保守的,未能充分发挥这种结构的承载能力,这只能作为强度安全的裕量保留在结构中。与容许应力法相比,极限状态法将笼统的单一安全系数分解为抗力和荷载两方面,并且对不同的抗力和不同的荷载原始数据进行统计分析,以得到即经济又安全的设计方案。由于钢管混凝土拱桥至今还没有专用的设计和施工规范,我国大部分钢管混凝土拱桥的设计仍然采用容许应力法,但也有部分设计单位套用建工规程10进行极限状态设计。对于较为重要的大跨度钢管混凝土拱桥还需进行了大量的试验研究,以确定其设计参数。比如,益阳茅草街大桥在湖南大学进行了方法1:

29、采用所谓换算截面,将钢管面积按一定原则换算为混凝土面积,将钢管混凝土视为单一材料。弹性模量采用混凝土弹性模量c E ,组合材料面积为s c nA A A +=,抗弯刚度为(s c c nI I E EI +=,抗扭刚度为('pt pc c p I n I G GI +=。其中:c s E E n /=,c s G G n /'=,E 为弹性模量,G 为剪切模量,I 为惯性矩,p I 为扭转惯矩,A 表示截面积;这里下标s 表示钢材,下标c 表示混凝土。方法2:将钢管混凝土中的钢管与混凝土分别用不同的单元来模拟,保证其节点坐标相同,分别计算各自的截面面积和抗弯刚度。方法3:将钢管

30、混凝土中的钢管与混凝土合成一个单元,其组合截面的EA 、EI ,按照式s s c c A E A E EA +=、s s c c I E I E EI +=计算。应该注意的是,一般情况下EA 、EI 为一个统一的符号,因为如果A 和I 用毛截面表示,两者的E 值并不相等。方法4:由于钢管混凝土结构是由钢和混凝土两种材料构成的组合结构,两者之间存在随工况不断变化的紧箍力作用,导致实际上的刚度不断变化。采用文献12中给出的公式,将钢管混凝土视为单一的组合材料,根据理论分析得到组合材料指标,按构件整体的几何特性,进行构件承载力的计算。其理想化的单轴受压应力-应变关系如图1-1所示,这里OA 段是线弹

31、性阶段,AB 段是弹塑性阶段,按二次抛物线变化,在求得组合材料的弹性模量后,即用常规的有限元方法按单一材料进行计算。 图1-1钢管混凝土结构的本构关系在上述四种方法中,方法1、2、3的缺点是不能充分反映钢管混凝土的特性(套箍效应,有些设计单位通过提高一级混凝土标号来近似考虑其套箍效应;方法4将钢管混凝土按单一的组合材料来进行计算,考虑了钢管和混凝土的相互作用,得到的刚度较大;按方法1计算结果较小,偏于安全,但应用在工程设计中不失为一种简便的方法。本文计算中权衡精度和计算量两方面的因素,不至于造成计算上的过大负担,没有考虑套箍效应,主要是采用1和3两种方法13。钢管混凝土结构是由钢管和管内混凝土

32、组成,设计计算时刚度如何取值对计算结果有相当的影响。一般而言,刚度取值大,在温度及徐变作用下超静定拱的计算次内力也大,因此,从内力方面来说,刚度取值大是偏于安全的。而在稳定计算和挠度计算时,刚度取值大,则稳定系数大、挠度值小,因此,在计算结构的稳定和挠度时,刚度取值大则计算结果是偏于不安全的14,15。另外,拱肋的刚度主要有抗压刚度与抗弯刚度,二者对上述计算的影响也不同。目前,钢管混凝土结构刚度取值问题尚未引起人们的注意,有关研究开展得很少,设计时多数是简单的将钢管与混凝土刚度进行迭加,从已进行的初步分析看,它对于内力计算是偏于安全的,然而,对于稳定和挠度计算则是偏于不安全的,而稳定和挠度往往

33、会成为大跨度钢管混凝土拱桥设计的主要控制因素。目前已有一些桥梁的观测发现,钢管混凝土拱桥的实际挠度超过设计计算值。在动力性能方面,钢管混凝土结构本身由于具有较好的弹塑性性能,刚度较传统的圬工拱桥和钢筋混凝土拱桥小许多,因此现有的一些计算表明钢管混凝土拱桥的地震作用力一般要小于活载作用力。1.3钢管混凝土拱桥管节点研究现状1947年世界上第一个现代化的海洋平台在墨西哥海湾建成,这使人们首次真正认识到钢管作为结构构件的优越性,从而促使人们探索钢管节点的性能16。随着钢管结构的不断发展及钢管混凝土结构在桥梁中的大量应用,管节点引起工程界和学术界的广泛重视。全国钢协钢混凝土组合结构年会从第三次年会(1

34、991年起,钢管混凝土拱桥每年都成为年会的主题之一,与之有关的文章在不断地增多。由于圆钢管截面具有各向等强,抗扭刚度大,截面无弱轴等优越性能,且由钢管组成的结构承载力高,用钢量较节省,外形轻巧美观。钢管节点的形式也越来越多。在众多的节点形式中,由管构件直接焊接组成的直接焊接节点形式简单,不需要连接件,有着省料、受力性能好、节点承载力大等优点,随着加工和施工技术的自动化,该类节点越来越受到欢迎。在节点中,荷载由支管直接传给主管。由于支管的轴向刚度远远大于主管的径向刚度,主支管的相贯线成为整个结构的薄弱环节。合理的节点构造及其设计方法引起了以美英为中心的欧美各国及日本的关注。早在20世纪70年代有

35、人就提出了管节点的应力集中系数公式。我国上世纪70年代末进行了管节点的研究分析,目前,对简单平面型管节点分析的理论及实验进行的较全面,而对空间管节点的研究也仅处于起步阶段,受力性质也仅限于轴力的研究17。从所能搜集到的国内外的研究资料看,目前国内仅上海交通大学对简单空间管节点支管在单一荷载作用下的应力集中系数有初步研究,而在实际情况中,支管受到的是复合荷载,并且主管亦受到一定的荷载。因此就出现了支管荷载间的相互作用及主管荷载对节点强度的影响问题。国外对这类问题的研究仍然依赖于实验,而国内在此方面的研究还没有见报导。虽然对大多数管节点研究都是应用在海上平台等领域,但随着桥梁建设的快速发展及钢管在

36、桥梁中进一步的广泛应用,但这对桥梁管结构的设计也有极好的参考价值。综合国内外的研究工作,目前对管节点的研究内容大致可分为以下几个方面17:(1管节点应力分析;(2管节点承载能力研究;(3管节点疲劳试验研究;(4焊接管节点腐蚀试验研究;(5管节点制造工艺研究;(6管节点疲劳设计方法研究;(7管节点疲劳寿命的断裂力学分析方法研究。目前,发展中存在的主要问题足:对于管节点结构的诸多特殊问题的研究,还很不充分,尚缺乏理性认识,结构的使用未有科学的可靠的分析论证。(1解析法它是一种采用基于圆柱壳解析法的基本方程式,在线弹性范围内,用电子计算机求解的方法。我国的上海交通大学在这方面做了许多的工作,并开发了

37、用于管节点应力分析的专用程序。(2有限元法目前,随着电子计算机技术的飞速发展,有限元法过去存在的准备时间长、费用大的缺点逐渐消失,使其成为一种实用、简便、快捷的管节点研究方法。此方法除了用通用的有限元程序进行计算分析以外,国内外不少单位和个人还开发了专用的有限元分析程序对管节点进行分析计算。(3弹塑性分析与极限分析法管节点因有较高的应力集中,因此节点在外荷载作用下热点附近的材料将超过弹性范围而进入塑性状态,为此对节点进行弹塑性分析是必要的,因为弹塑性分析能正确反映结构的真实应力状态,特别是高强度钢,因为这些材料大多在较低的荷载时就呈现材料的非线性现象。但由于问题的复杂性,目前国内、外对这方面的

38、研究还比较少。1.3.2.2模型试验(1钢模型试验:用应变片测量静态载荷下接头的应力分布,取得很多数据,模型尺寸从168×83mm至1830×76mm。对于大尺寸模型的试验结果,可认为是代表了实际工作的情况,可以用于设计;(2光弹性试验:对形状复杂的管节点进行应力分析时采用三维光弹性试验是最为高效的试验方法;(3塑料模型试验:作为钢模试验的补充。这种模型制造简易,价格较低,所得数据与钢模接近。试验研究的目的是寻求管节点的真实应力分布、静承载能力及疲劳裂纹发展等情况,并用于校验理论计算的正确性。以前的试验模型尺寸偏小,塑料模型未被广泛采用,人们大多是用钢模型进行试验,测试其应

39、力分布、热点位置和疲劳寿命。且试验只针对简单管节点,对复杂管节点的研究很少,对空间管节点的研究就更少。以上三种方法中的光弹性试验法,不但可得到管节点相惯线处的应力集中系数,而且可以获得主、支管内外管壁上的应力分布及热点位置,较其它两种方法直观。1.3.2.3原型观测原型观测法就是直接在实际的结构中安装上监测仪器,测量管节点的各项性能指标从而达到对管节点进行分析和研究的目的。随着计算机的迅速发展,利用有限元对管节点进行分析的优点己逐渐为大家所认识,目前主要采用的就是有限元法。目前钢管混凝土桁架节点设计主要套用钢管节点的设计方法,试验研究认为钢管混凝土桁架支杆受拉的节点承载力可以采用相应空钢管节点

40、的计算公式;另一方面,钢管节点性能的研究也是钢管混凝土桁架节点性能研究的基础,在钢结构设计规范(GBJ17-88第十章专列钢管结构章节,对遇到的一些节点类型的构造与计算方法作了详尽介绍,尽管规范是针对空钢管结构,但对钢管混凝土管节点而言颇具参考价值。此外,作为钢与混凝土的组合结构,钢管混凝土也应该满足钢结构中对钢管桁架节点设计的要求,在构造上一般应满足以下要求18:(1钢管宜采用螺旋焊接或直缝焊接。焊接是必须采用对接焊缝并达到与母材等强的要求。(2桁架支管(腹杆与主管(弦杆或支管(腹杆与支管(腹杆的连接应具有良好的质量和足够的强度,杆件重心线宜交于节点中心,尽量避免产生偏心,但为了便于焊接,有

41、时需要留出一定的间隙,从而不可避免会产生一定的偏心,但如果限制在0.55/0.25e d-范围内,由此产生的弯矩可以略去不计。(3钢管的外直径不宜小于100mm,壁厚不宜小于4mm。钢管的外径于壁厚之比/d t宜在20到 85yf为钢管的屈服强度。(4弦杆外径应大于腹杆的外径,弦杆的管壁厚度不应小于腹杆的管壁厚度。腹杆应直接焊接于弦杆外壁,同时不得将腹杆穿入弦杆管壁和弦杆管内。(5腹杆与弦杆或腹杆与腹杆两钢管管轴的交角i不宜小于30º,也不宜大于150º,当30i < 或150i >时,其连接焊缝不能作为受力焊缝。(6支管与主管的连接焊缝,应沿全周连续焊接并平滑

42、过渡。(7钢管主要受力不为应避免开孔,如必须开孔时,应采取补强措施,防止产生过大的局部变形。(8支管与主管的连接可沿全周采取角焊缝,角焊缝的焊脚尺寸h 不宜大于支管壁厚两倍。在设计管结构时,重要的是从一开始就要考虑节点的性能。仅根据构建的荷载设计构件,会导致节点不适应的加强。这并非是要在初步设计就必须详细设计节点,而仅意味着:选择弦杆和撑杆构件必须使直径比、厚度比、弦杆直径厚度比、撑杆间间缝、撑杆重叠率及角度等节点主要参数能提供足够的节点强度,且制造过程经济19。因为设计总是要从静载强度,设计的稳定性以及制造和维护等的经济角度来权衡结构设计的各个方面,因此,有时会产生相互矛盾的要求,所以在设计

43、时,应意识到具体选择的牵连关系。为达到优化设计,给出以下准则6:(1格构式结构通常可假设为铰接构件进行设计。如果节点具有充分的转动能力,对于静载设计,由于实际节点刚度引起的次弯矩可以忽略不计,如节点参数在上述推荐的范围内,就属于这种情况。(2一般设计构件时使各中心线相交。但为了便于制造,有时需要有一定的偏心,对弈节点设计和受拉弦杆,如偏心距在0.55/0.25e d -范围内,由此产生可略去不计。但受压弦杆总应核算相交偏心的弯曲效应。全重叠使偏心距00.55e d =-,但比部分重叠节点制造更简单,比有隙节点梁的性能更好。(3假设构件和连接两者均具有足够的变形和转动能力,对于构件和连接的设计,

44、由于构件端部固定引起的次弯矩通常可略去不计。这可用限制某些构件,特别是受压撑杆的管壁长细度来达到。(4有隙节点的端部切割、装配和焊接制造较为方便,因而比部分重叠节点更可取。但是在同样的制造条件下,全重叠节点的强度高于有隙节点。在良好的设计中,最小间隙为12g t t +(1t 、2t 分别为两支管壁厚,使焊接不会相互重叠。而重叠节点的重叠率应至少为25%v O 。(5在普通格构结构中,大约有50%的材料重量用于受压弦杆,30%用于受拉弦杆,20%用于腹板构件或撑杆。这就意味着就材料重量而言,受压弦杆最好选用薄壁型材,但对于防腐涂装,应使外表面积尽量减少。因此,节点强度随着弦杆直径与厚度之比的减

45、小和弦杆与腹杆厚度之比的增大而增大。因此,对于受压弦杆,直径于厚度之比应选得尽可能小。(6由于节点强度利用率随着弦杆与撑杆厚度之比的增大而增大,因此其值应选得尽可能大。此外,在横截面相同时薄壁撑杆要求的焊接体积小于厚壁撑杆。(7由于节点强度由取决于弦杆的屈服应力,因此当切实可行时采用高强刚弦杆较为经济。为获得经济有效的管结构,应按下列方法设计6:(1尽量减少节点以确定管结构或桁架的几何形状;(2假设节点为铰接且中心线相交,确定构件受力;(3考虑轴心荷载、防腐和节点的几何形状确定弦杆尺寸。如在节点处有平面内和平面外支撑,通常假设屈曲有效长度为0.9倍长度;(4应考虑采用高强度钢弦杆;(5根据轴心

46、荷载确定撑杆尺寸,厚度最好小于弦杆;(6撑杆有效长度可保守的假设为0.75倍长度;(7撑杆可标准化为少数几个选定的尺寸,以尽量减少结构所用的型材尺寸中枢。出于审美的理由,优先采用同一外径、不同壁厚的管材;(8在偏心极限和制造方面校核该节点的几何形状;(9从制造角度看,有隙节点优于重叠节点;(10如节点强度不够,改变撑杆或弦杆尺寸。通常只需校核少数几个节点;(11检查力矩与轴心力相互作用,来校核相交偏心力矩对弦杆的作用;(12如桁架有中心线相交的非重叠节点,在需要时可把桁架当作一铰接框架分析,在不折算的荷载水平上校核桁架的挠度。如节点全部是重叠的,则可假设弦杆是连续的、撑杆是端部铰接的,计及偏心

47、来校核桁架的挠度。在设计管节点时最重要的是设计者从一开始就考虑节点的性能。仅仅基于构件内力进行的构件设计或许在其后会形成不符合要求的节点刚度,这并不意味着在概念设计阶段就必须进行详细的节点设计,而是指弦杆和腹杆的选择必须使节点的主要控制参数能够提供足够的节点强度和经济的加工制作。因为设计总是在各种不同而又相互矛盾的要求之间的折衷和平衡,设计时设计人员就必须清除任何一个特定选择的含义,以达到设计的最优化状态。1.4本文研究内容针对目前空间节点、尤其是钢管混凝土空间节点的研究现状,本文开展对钢管混凝土拱桥管节点应力与应力集中有限元分析研究。本课题由交通部西部交通研究课题资助,所做工作为西部交通建设

48、科技项目“钢管混凝土拱桥设计、施工与养护关键技术研究”的部分内容。这个项目的部分工作是:在钢管混凝土拱桥大量应用及已进行的各种研究成果的基础上,抓住钢管混凝土拱桥理论与应用中关键的技术问题和在西部地区应用的特点,选取典型的工程作为分析对象,对桁式拱肋的管结点进行应力与应力集中分析。已于2006年10月建成通车的湖南益阳茅草街大桥主要为80m+368m+80m的三跨连续自锚中承式钢管混凝土系杆拱桥,采用四管形桁式拱肋。本文主要以该大桥为工程背景,基于大型有限元软件ANSYS对钢管混凝土拱桥的不同节点形式进行研究和比较,为钢管混凝土拱桥节点的设计提供了参考。主要研究内容如下:(1针对钢管混凝土拱桥

49、的特点,将圣维南原理引入到钢管混凝土拱桥节点的分析中,介绍圣维南原理在钢管混凝土拱桥中的应用;(2结合钢管混凝土拱桥中节点形式,基于ANSYS,建立了钢管混凝土拱桥的节点实体模型,分析和比较了它们的静力性能;讨论了其应力变化情况;(3分析计算了不同节点在轴力作用或在轴力与弯矩共同作用下,随支管管径与主管倾角的变化应力集中系数的变化。按照上述的研究内容,本文首先进行了大量资料收集工作,并进行整理分类,然后分别针对钢管混凝土拱桥典型节点进行了静力计算、应力集中系数计算。对其应力分析过程中,针对桁架式钢管混凝土拱桥典型节点,根据圣维南原理把用梁单元作整体计算所得内力和位移作为局部切开处的外力和位移边

50、界条件,从而对求得局部的应力和变形状况加以分析比较。应力集中分析选取同类节点进行了主拱肋内填混凝土与空钢管分别在轴力作用以及在轴力加弯矩共同作用两类工况下的计算。第2章圣维南原理及其应用2.1圣维南局部原理概述求解弹性力学问题就是在给定的边界条件下求解基本方程。一般来讲,对于弹性力学解,物体表面的外力是按一定的规律分布的,而实际问题中表面力很难与它一致。这样,弹性力学问题的求解和应用将受到极大的限制。为了扩大解的适用范围,放宽这种限制,圣维南提出了局部影响原理。圣维南局部影响原理其主要内容为:物体表面某一小面积上作用的外力力系,如果被一个静力等效的力系所替代,那么物体内部只能导致局部应力的改变

51、。而在距离力的作用点较远处,其影响可以忽略不计20。圣维南原理在实用上和理论上都有非常重要的意义。在解决具体问题时,如果只关心远离载荷处的应力,就可视计算或实验的方便,改变载荷的分布情况,不过须保持它们的合力和合力矩等于原先给定的值21。圣维南原理是定性地说明弹性力学中一大批局部效应的第一个原理,是一个被实验和理论计算多方面证明了的原理,这一原理在弹性力学的分析中广泛应用。可以说,没有局部影响原理,弹性力学问题的分析寸步难行。根据圣维南局部影响原理,假如我们用一静力等效力系取代弹性体上作用的原外力,则其影响仅在力的作用区域附近。离此区域较远处,几乎不受影响。局部影响原理是在实验中被多方证明的。

52、例如用一个钳子夹住铁杆,钳子对铁杆的作用相当于一组平衡力系。实验证明,无论作用力多大,在距离力的作用区域比较远处几乎没有应力产生(见图2-1。这一结论也可通过有限元程序计算分析:对于矩形板,在等效力系一个集中力F;两个集中力/2F lF和分布载荷/的作用,计算数据表明:集中力的作用点局部区域,应力变化梯度大,远离力的作用点的区域,应力分布是均匀的,静力等效的力系只能导致弹性体局部应力分布的改变。而在距离力的作用点较远处,其影响可以忽略不计(见图2-2。所以圣维南局部影响原理也可以表述为:如果物体的任一部分作用一个平衡力系,则此平衡力系在物体内产生的应力分布,仅局限于该力系作用的局部区域,在离该

53、区域比较远处,这种影响便急剧减少。本文即利用这个原理对钢管混凝土拱桥节点进行局部分析,求解局部的应力。 铁杆在钳子作用下应力分布图2-1 abc图2-2构件在等效静力下应力分布必须要注意的一个问题是:应用圣维南原理,决不能离开“静力等效”的条件。例如,在图2-2a所示的构件上,如果两端的力F不是作用于截面的形心,而是具有一定的偏心距离,那么,作用在每一端的面力,不管他的分布方式如何,与作用于截面形心的力F总归不是静力等效的。这时的应力,与上述三种情况下的应力相比,就不仅是在靠近两端处有差异,而且在整个构件中都是不相同的。圣维南原理最初是由B.de Saint-Venant针对弹性柱体提出来的,

54、后来Boussinesq将圣维南原理推广到一般的三维问题,原理从开始提出到现在已有一百多年历史。在弹性力学以及相关的学科分支中,人们利用它来放松边界条件使问题得到简化,并卓有成效地解决了大量边值问题22。然而在另一方面。原理当时没有给予证明,虽然大量的计算资料和实验资料都证实了这一原理的正确性,但这仍不能取代严格的数学证明。弹性力学的学科特点之一是具有数学上的严密性。可是这门学科所处理的大量问题都离不开圣维南原理。而该原理本身却未得到严格证明。这种不协调是弹性力学中长期遗留着的一个有待解决的经典理论问题,这些问题涉及的面比较广,近半个世纪来不少著名学者都进行了该方面的研究工作,并取得了一系列重

55、要进展,使人们对原理有了更深入的理解和认识,但是问题远未获得圆满解决。四十年代以来,不少学者指出圣维南原理对于某些弹性体系是不适用的,而另一些学者又论述了该原理可推广到固体力学以外的许多学科领域中去。由此出现一个问题,即圣维南原理究竟在什么情况下适用,在什么情况下不适用,根据什么原则来判断?长久以来,这个问题一直困扰着人们,致力于这个问题的解决。对于圣维南原理,首先,它只能运用于物体的一小部分边界,即面力作用区域的尺寸(其影响范围与此尺寸相当应不大于物体的最小尺寸,其次,需注意静力等效原则(主矢、主矩相等。此外,应用于薄壁杆件和桁架结构时,需谨慎对待。最后需指出的是圣维南原理不能应用于动力学问

56、题,如杆的一小部分边界上受到扰动,其影响可传到远处21。当物体一小部分边界上的位移边界条件不能满足时,也可以应用圣维南原理而得到有用的解答。图2-3b构件的右端是固定端,则在该构件的右端,有位移边界条件0u=和0v=,把图2-3a所示情况下的简单解答应用于这一情况时,这个位移边界条件是不能满足的。但是,显而易见,右端的力,一定是合成经过截面形心的力P,和左端的力成平衡。这就是说,右端(固定端的力,静力等效于经过右端截面形心的力P。因此,根据圣维南原理,把上述简单解答应用于这一情况时,仍然只是在靠近两端处有显著的误差,而在离两端较远之处,误差是可以不计的。也就是说,如果物体一小部分边界上的面力是

57、一个平衡力系(主矢量及主矩都等于零,那么这个面力就只会使得近处产生显著的应力,而远处的应力是可以忽略不计的。a P b 图2-3不同边界条件对构件的应力影响2.2圣维南原理在钢管混凝土拱桥中的应用随着计算机的迅速发展,利用有限元对管节点进行分析的优点己逐渐为大家所认识,对钢管混凝土拱桥的分析,目前主要采用的就是有限元法23。对于桁拱,一般有以下三种措施:第一种是按梁单元进行分析,这种做法计算简便,但其结果很粗糙,而且不能反映局部变形和应力状态;第二种是对整个结构进行三维有限单元离散化,可以求得钢管混凝土拱桥全部的精细解,但显而易见,其工作量非常巨大,对于复杂的结构一般的计算机就难以分析下来;第三种方法是第二种方法的改进,即采用子结构技术,将节点处理为子结构,可使工作量减少许多,但仍然相当繁重,不够灵活。因此,有必要采用圣维南原理进行局部分析,具体做法是:把用梁单元作整体计算所得内力和位移作为局部切开处的外力和位移边界条件。这种做法有很大的灵活性,且工作量很少24。第3章管节点应力分析3.1引言钢管混凝土拱桥管道节点形式复杂多样。按支管的空间位置可分为平面节点和空间节点25。其中平面节点包括:T型、Y