某钢桁架拱桥钢锚箱结构空间有限元分析

1、梁 斌:某钢桁架拱桥钢锚箱结构空间有限元分析某钢桁架拱桥钢锚箱结构空间有限元分析梁 斌(同济大学桥梁工程系, 上海 200092摘 要 对某钢桁架拱桥的钢锚箱在三种不同张拉方式进行结构有限元分析。分析结果表明,三种不同张拉方式对钢锚箱的应力影响相差不大;同时,根据有限元分析结果,建议增加锚箱钢垫板厚度。关键词 钢桁架拱桥;钢锚箱;有限元分析 中图分类号 TU 392 文献标识码 B文章编号 1001-6864(201010-0047-021工程概况主桥采用中承式钢桁架系杆拱桥,跨径为50+168+50=268m 。边中跨比0 298。总体布置见图1。拱肋上弦理论中心线由一段圆曲线,一段直线和一

2、段抛物线组成。桥面以上高度38 1m,拱脚至拱顶高53 33m,半径为180 172m 。中跨下弦杆为二次抛物线,桥面以上高度33 41m,拱脚至拱顶高48 66m,矢跨比1:3 5,边跨下弦杆为悬链线,m =8。上弦杆为高1 3m 、宽1 5m 的钢箱结构,下弦杆为高1 5m,宽1 5m 的钢箱结构。拱顶断面总高度5 5m 。腹杆主要采用1 5!0 51 5!0 8m 工字型断面。中跨桁架拱标准节间间距3 5m,支点附近采用变间距,最大间距边跨直腹杆间距5 8m 。下弦杆在拱脚采用固结。拱脚通过设置剪力键、锚固钢筋的节点 加强板与桥墩连接。2锚箱构造钢锚箱构造见图2。锚箱宽度840mm,高度

3、840mm,长度2520mm 为等截面箱形截面。箱形截面顶板N 1、底板N 2、内侧N3腹板、外侧腹板N 4厚度均为40mm 。张拉端处设置锚垫板N5,垫板厚度80mm,预留 450mm 的圆孔。顶底板设置加劲肋N 6,加劲肋厚度40mm 。根据施工方案,有三种可能的张拉方案:内外两侧同时张拉、先内侧后外侧、先外侧后内侧。由此产生锚箱的三种加载方式:对称加载、内测加载、外侧加载。3 空间有限元分析3 1 有限元分析软件及有限单元类型有限元软件采用大型结构分析通用软件ANSY S 。由于钢锚箱厚度不大(相对于长宽尺寸,而且变形是以翘曲为主(亦即out-of-plan 的变形,因此有限元模型单元采

4、用板壳单元,此单元的优点是既可以节省计算时间,而且计算精度也很高。具体采用S HELL63(称为e l astic shell板壳单元。因它只支持线性弹性的材料模式,既具有弯曲能力和又具有膜力,可以承受平面内荷载和法向荷载。本单元每个节点具有6个自由度:沿节点坐标系X 、Y 、Z 方向的平动和沿节点坐标系X 、Y 、Z 轴的转动。应力刚化和大变形能力已经考虑在其中。3 2 空间有限元模型空间有限元模型见图3、图4。根据圣维南原理,建模范围超过钢锚箱范围的68倍,以减少甚至消除边界条件对钢锚箱应力的影响。考虑锚箱为对称布47低 温 建 筑 技 术2010年第10期(总第148期置,计算图示选取1

5、/2,对称平面(x -y 上的节点边界条件为u z = y =0;其它位置边界条件均为固结(悬臂端除外。 3 3 荷载及加载图示加载方式分三种:对称加载、外侧加载、内侧加载。其中,对称加载是对1号锚箱(内侧锚箱和2号锚箱(外测锚箱同时施加轴向压力,力的大小为1280t ;外侧加载是对2号锚箱(外侧锚箱施加轴向压力,大小为1280t ;内侧加载是对1号锚箱(内侧锚箱施加轴向压力,大小为1280t 。考虑锚具对荷载的分配作用,实际加载为均布荷载作用在垫板上,作用面积为:A = !(2202-2102=1 35!104mm 2均布荷载为:q =P /A =9 48!105kN /m 24 空间有限元

6、计算结果及分析钢材材料选择如表1所示。表1钢 材 材 料构件纵梁及横梁拱肋锚箱(包含垫板和端封板钢材Q345qC Q370qC Q420qC 弹性模量/M Pa2 06!1052 06!1052 06!105泊松比0 30 30 3密度/kg m -3785078507850强度/M Pa203218247计算轴向压力作用下钢锚箱的应力分布情况。计算结果选取von m ises 应力,即第四强度理论下的等效应力。由于钢锚箱会产生相应的塑性变形,所以,用von m i ses 应力与钢材的屈服强度比较,是符合实际工程要求的。由计算结果可知,三种加载方式对锚箱最终受力状态影响不大,其中,比较不利的

7、状态是对称加载时锚箱的受力。所以,仅选取对称加载情况下钢锚箱各个钢板的von m i ses 应力进行分析。整个钢锚箱在承压端受力较大,并存在较明显的应力集中现象。由于模型划分会产生极个别奇异单元,从而导致计算结果在个别位置处出现不正常应力峰值,所以对计算后的结果进行了峰值钝化,以求得到合理的计算结果。各板件钝化后峰值应力如表2所示。表2各板件峰值应力板件名称峰值应力/M Pa 屈服强度/M Pa 是否满足强度要求锚垫板202247是1号钢板(顶板302247否2号钢板(底板302247否3号钢板(内侧腹板315247否4号钢板(外侧腹板285247否加劲肋219247是端封板70 2247是

8、通过比较,3号钢板(内侧腹板的受力最不利,同样,在内侧加载和外侧加载情况下,均有类似情况。5 结语通过有限元计算分析表明,钢锚箱整体以承受压力为主,各个板件主要承受弯矩。张拉端处受力比较集中,所以,各个板件在端部出现了比较严重的应力集中现象。由于S HELL63单元只支持线性弹性的材料模式,而在实际工程中,钢锚箱各板件达到屈服应力之后会发生一定的塑性变形,起到了释放应力的作用,从而降低了应力集中处的峰值,即表2中钝化后的数值。但是,钝化后的峰值应力与钢材的屈服强度仍然是比较接近,为了保证结构的绝对安全,建议增加板厚或提高钢材等级,以保证结构有较高的安全系数。参考文献1 王新敏.ANSYS 工程结构数值分析M .北京:人民交通出版社,2007.2 吴家龙.弹性力学M .北京:高等教育出版社,2001.3 彭霞,王行耐.钢锚箱式索梁锚固区段有限元仿真分