混合梁钢混凝土结合段局部应力分析_图文

1、 第 18卷 第 1期 2010年 3月 山东交通学院学报 JOURNAL OF SHANDONG J I A OT ONG UN I V ERSI TY Vol . 18No . 1Mar . 2010收稿日期 :2009-11-16作者简介 :常学力 (1983 , 男 , 内蒙古赤峰人 , 大连理工大学硕士研究生 , 主要研究方向为桥梁结构分析与设计 1混合梁钢 常学力 , 石 磊 , (大连理工大学 建设工程学部 , 摘要 :结合工程实例 , 采用有限元程序 , 通过计。 结果表明在钢 混凝土结合段 , 钢与混凝土的, 关 键 ; 钢 ; 应力 ; 有限元分析中图分类号 :1文献标识码

2、 :A 文章编号 :1672-0032(2010 01-0057-04近年来伴随我国经济的发展及施工方法的不断完善 , 桥梁结构已开始向大跨径方向发展 , 结构自重 是影响结构跨径增大的主要因素 。钢材自重小但造价高 , 混凝土造价低但自重较大 。因此对于一些桥 梁 , 如斜拉桥 、 悬索桥 、 拱桥 、 连续梁桥等桥梁结构 , 为了使结构受力合理 , 提高桥梁的跨越能力 , 往往采用 钢与混凝土混合的形式 。 由于使用了 2种不同的材料 , 这就产生了钢与混凝土的连接问题 。钢与混凝土 的连接应用于多种不同结构的不同部位 , 如混合桥梁斜拉桥中钢塔柱与混凝土塔柱的连接 , 悬索桥中钢 主梁与

3、混凝土主梁或钢塔柱与混凝土塔柱的连接 , 拱桥中钢拱肋与混凝土拱肋的连接 , 梁桥中钢主梁与 混凝土主梁的连接等多种形式 1-5。本文以某大桥为例 , 对主梁钢 混凝土结合段进行有限元分析 , 可 为同类桥梁的设计提供科学依据 。1 工程概况大桥主桥为有背索 、 双索面独塔斜拉桥 , 墩 、 塔 、 梁固结体系 , 跨径布置为 (100+50 m , 其中 100m 为 主跨范围 , 50m 为边跨范围 。 主桥桥墩基础布置在靠近东岸一侧河床 , 100m 范围内主跨跨越主河槽 。桥主梁采用钢主梁与预应力混凝土主梁相结合的混合梁 。主跨侧钢梁为双边箱主梁加次纵梁的截 面形式 , 其中钢主梁为单

4、箱双室截面 。 边跨侧混凝土梁采用预应力混凝土箱梁单箱八室截面 , 断面如图 1所示 。 钢混结合段位于主跨侧距桥塔 20m 处 。图 1 结合段主梁断面图钢 混凝土结合段采用混凝土截面内置剪力钉及 P BL 键进行连接 6。 为了使结合段与两端主梁均 匀过渡 , 混凝土主梁边腹板与底板外包钢板形成外包钢箱梁 , 并在结合段端部设置了过渡段 ; 同时 , 为保 证结构过渡连续 , 混凝土段的纵向钢筋伸入结合段 , 结合段顶板的上层纵向钢筋与其它钢筋焊接 ; 结合段 内钢梁腹板 、 端横隔板混凝土侧 、 纵向隔板布置剪力钉 , 纵向隔板侧设置 P BL 剪力键 , 剪力主要由 P BL 剪 力键

5、来传递 , 结合段构造如图 2所示 。图 2 结合段构造图2 有限元模型211 建模方法根据圣维南原理 , 在钢 混凝土接头附近取 10m 梁段进行建模分析 。 假定混凝土为线弹性材料 , 不 考虑局部压溃的影响 。 假定剪力连接件只传递剪力 , 忽略在拉拔作用下的承载力 。将混凝土与 P BL 键 中的贯穿钢筋进行耦合 , 同时将贯穿钢筋与 P BL 键钢板耦合 。212 建模 为了研究钢梁与混凝土箱梁结合段的受力状态 , 取 10m 的梁段进行分析 , 其中钢梁段长 5m, 混凝土梁 段长 5m 。 基于 ANSYS 建立空间板壳、 实体单元结合的空间有限元模型 , 由 S OL I D

6、65实体单元模拟混凝土 箱梁 , 用 SHE LL63板壳单元模拟正交异型桥面板、 加劲肋、 顶底板和腹板等钢板单元 , 采用 CO MB I N 39非线 性弹簧单元模拟剪力连接件的剪切滑移特性。有限元模型共包含 84130个 S OL I D 65单元 , 60640个 S HE LL63单元 , 4980个 C O MB I N 39单元 , 共 184057个节点。 x 轴沿横桥向 , y 轴竖直向上 , z 轴沿桥梁轴向。 图 3为有限元模型计算的单元图。 接触面位置的混凝土单元为六面体网格 , 钢梁与混凝土梁的接触位置采 用相同的网格划分形式以保证接触面的连接真实可靠。 图 4 为

7、混凝土梁与钢梁有限元模型接触面单元。 图 3 有限元模型单元图 图 4 混凝土梁与钢梁有限元模型接触面单元图213 边界条件 应用分析软件 M I D AS 按空间杆系结构做桥梁整体结构分析 , 分别得出钢箱梁与混凝土箱梁在截断 处及结合面处的弯矩 、 剪力 、 轴力及变形 , 将所得内力换算成刚度施加约束 , 变形量以支座变位的形式施85 山东交通学院学报 2010年 3月 第 18卷加 。 在结合处钢箱梁一侧假定为平截面变形7, 以刚性域的方法形成 , 并在此中性轴处施加表 1工况 2所示的荷载 。 钢箱梁与混凝土箱梁采用主从约束的方式进行连接 。214 模型的荷载状况 表 1 接头处荷载

8、最不利时的内力 工况 轴力 /kN弯矩 /(kN m /kN扭矩 /(kN m -18632. -8973666. 34-1784-3346. 482621. 58按照文献 8-9的规定进行荷载组合 使用阶段荷载组合为 :恒载 +公路 级 +人群 +混凝土收缩 +混凝土徐变 +温度影响 。对大桥施工阶段及使用阶段的分析得出在此荷载组合下的各种最不利内力 ,荷载组合所产生的 内力见表 1。 表中“ -” 表示内力方向 , 弯矩从截面下缘受拉为正 , 上缘受拉为负 ;剪力以使结构按顺时针转为正 , ,压为负 ; 3 通过有限元程序 ANSYS 对钢 混凝土结合段进行分析 , 主要分析结果见图 51

9、0。图 57为混凝 土箱梁应力云图 , 图 810为钢箱梁应力云图 。 图中单位为 MPa, 拉应力为正 , 压应力为负 。 图 5 结合段混凝土侧正应力云图 图 6 结合段混凝土侧第 1主应力云图 图 7 结合段混凝土侧第 3主应力云图 图 8 结合段钢箱梁侧正应力云图 图 9 结合段钢箱梁侧第 1主应力云图 图 10 结合段钢箱梁侧第 3主应力云图311 混凝土箱梁应力分布 钢梁与混凝土梁的接触位置处 , 混凝土侧的正应力如图 5所示 , 第 1主应力即主应力如图 6所示 , 第95第 1期 常学力等 :混合梁钢 混凝土结合段局部应力分析 3主应力即主压应力如图 7所示 。 图 57表明

10、, 沿 z 轴方向 , 最小正应力出现在预应力筋锚垫板下 , 为 -3116MPa 。 在非锚下混凝土的位置 , 最大正应力为 -8143MPa, 最大主拉应力达到 1612MPa, 最大主压 应力局部可达到 -4213MPa 。 混凝土上下缘均处于受压状态 , 混凝土与钢之间结合紧密 。分析表明 , 混凝土箱梁应力绝大部分都在文献 8允许范围 (-221401183MPa 之内 , 在锚下位置 出现高应力区 , 但应力区面积较小 , 对结构整体使用影响不大 。可通过添加承压板或增加锚垫板厚度来 改善结构受力 10, 以达到应力扩散的目的 。312 钢箱梁应力分布从图 810可以看出 , 73

11、1(88312 MPa (图 9 , 最大主压应力达到 14510MPa (图 10 。分析表明 , 钢箱梁应力都在文献 11- 之内 。钢箱梁在使用状态下应力 均能满足要求 。4 结 论1 设计荷载作用下结构传力顺畅 , 钢 、 混凝土应力均满足要求 , 可作为同类结构的计算参考 ;2 结合段联合使用 P BL 键 、 剪力钉及承压板共同传力 , 结构受力合理 , 满足要求 ;3 结合段受力复杂 , 应力集中现象较为明显 , 设计时应给予足够重视 。参考文献 :1LakshmiB , Shanmuga m N E 1NonlinearAnalysis of in Filled Steel C

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15、 Part ofCo mposite BeamCHAN G Xue 2li, SH I Lei , L I Fei 2ran(1. Faculty of Infrastructare Engineering, D alian U niversity of Technology, D alian 116023, China Abstract:According t o p r oject exa mp le, the finite ele ment p r ogra m ANSYS is used t o analyze steel and concrete j oint part f or the pur pose of obtaining the stress of j oint part detailed . W e can get the stress of the j oint part by the acti on of dead l oad and live l oad which are put t ogether as the least favorable conditi on . Fr om the