RC系杆拱桥拱肋吊杆锚固结构力学性能分析与优化

铁 道 建 筑 Railway Engineering July，2013 文章编号: 1003-1995( 2013) 07-0008-02 RC系杆拱桥拱肋吊杆锚固结构力学性能分析与优化 王晓明1，2，袁 远1，郝宪武1，2 ( 1．长安大学 桥梁工程研究所，陕西 西安 710064 ; 2．旧桥检测与加固技术交通行业重点实验室，陕西 西安 710064 ) 摘要:拱肋吊杆锚固区是系杆拱传力的重要部位，锚固区结构构造复杂，受力机理难以用杆系模型进行 分析。本文分别采用整体计算和板壳有限元分析了锚固区结构，探讨了原设计方案的传力机理和出现 局部高应力的原因，提出了优化方案。计算 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明优化方案能使锚固区结构传力顺畅并降低主要结构构 件应力，可为同类桥梁参考使用。 关键词:钢筋混凝土系杆拱 锚固区 结构优化 有限元法 中图分类号: U448． 22 + 5 文献标识码: A DOI: 10． 3969 / j． issn． 1003-1995． 2013． 07． 03 收稿日期: 2012-11-12 ; 修回日期: 2013-03-25 基金项目:陕西省交通科技基金资助项目 ( 07-06K) 作者简介:王晓明 ( 1983— ) ，男，山西应县人，讲师，博士。 系杆拱主要由拱肋、系杆、吊杆、横梁及桥面系组 合而成，不仅跨越能力大且无推力，对地基适应能力 强，受力合理、外形美观。系杆拱将拱肋和纵梁( 系 杆) 两种基本结构组合起来，充分发挥拱肋受压、主梁 受弯的结构特性来共同承受荷载，其中又以系杆承受 拱脚水平推力为主要特征［1-2］。 系杆拱通过吊杆将主梁承担的荷载分配给拱肋， 以实现梁拱协同作用。拱肋与吊杆的锚固区要把吊杆 的拉力有效、可靠地传递到拱肋上，该部位是保证全桥 整体受力的最关键部位之一［3］。该部位的结构布置 较为复杂，主要受力的钢板在纵桥向和横桥向交错布 置。锚固区板件的局部应力较高，板件间的传力途径 比较复杂。为了清楚了解系杆拱吊杆与拱肋的锚固区 结构构造和受力特性，有必要对这种结构开展详细的 分析研究［4-6］。本文结合一座钢筋混凝土系杆拱具体 工程，详细介绍了吊杆与钢筋混凝土拱肋间的钢与混 凝土组合锚固结构，讨论了对其进行力学性能分析所 采取的方法，计算了锚固区结构的受力情况，提出了改 善锚固区结构受力的结构构造。 1 锚固区结构介绍 某桥主桥采用梁拱组合体系，跨径为 55 m，如图 1 所示。拱肋为钢筋混凝土结构，系梁为预应力混凝土 结构，与横梁、桥面系现浇成为整体。 该桥吊杆与拱肋的连接构造见图 2，拱肋里的预 埋钢板焊接连接件在拱肋下缘伸出并连接吊杆上部锚 图 1 全桥布置 头。该连接件采用 3 cm 厚 Q345 钢板焊接加工而成， 构造简单，主要受力构件为两块平行竖向钢板 N1 ( 208 cm × 40 cm × 3 cm) 和一块水平钢板 N2 ( 40 cm × 34. 8 cm × 3 cm) 及加劲肋 N3，N4 焊接构成，水平钢板 N2 距连接件底部 32. 5 cm。 图 2 拱肋吊杆锚固区结构 2 计算方法 2. 1 轴心受拉构件复核 由图 2 知，两块竖向钢板 N1 对称布置，吊杆作用 于其中间，因此从整体来讲，吊杆锚固结构为轴心受拉 构件。按照轴心受拉构件计算 N1 板 ( 断面 400 mm × 30 mm) 能够承受的最大吊杆拉力为 F = fdA = 195 × ( 400 × 30 × 2 ) = 4 680 kN 8 2013 年第 7 期 王晓明等 : RC 系杆拱桥拱肋吊杆锚固结构力学性能分析与优化 而设计吊杆力为 1 287 kN，远低于上限值。因此 按照轴心受拉构件验算表明，拱肋吊杆锚固结构安全 可靠。然而上述分析中，忽视了吊杆拉力作用线与钢 板 N1 轴线并不重合，进而忽略了附加弯矩的影响，可 能给出偏危险的结论，故需要进一步精细化分析。 2. 2 有限元仿真分析 对拱肋吊杆锚固结构采用 4 节点壳单元 shell63 建模进行局部分析 ( 图 3 ) 。钢板 N1 上部预埋在拱肋 里，因此可认为 N1 下缘伸出部分固结于拱肋。吊杆 竖向拉力通过锚头作用到水平承压钢板上，可通过在 水平 N2 板施加环形均布荷载来模拟。 图 3 锚固区有限元模型 将成桥最大吊杆力 1 287 kN 施加到该模型中，有 限元分析结果 : 平行竖向钢板 N1 中的最大 Mises 应力 达到 709. 23 MPa，出现在与水平板 N2 的连接处; 水平 板 N2 的最大 Mises 应力达到 1 501 MPa，出现在吊杆作 用处。此外，竖向平行钢板 N1 下端在水平方向的位移 计算值为 0. 73 cm，两块竖向钢板共计向外开口 1. 46 cm。可见原设计是不安全的。 出现上述局部高应力的原因 :①吊杆力不仅对 N1 板产生竖向拉力，同时在 N2 板和 N1 板的连接部位处 产生较大向外的弯矩，致使该处内侧出现局部高应力。 ②在吊杆作用下 N2 板单向承弯，沿着支撑方向，在吊 杆施力处的钢板下缘会出现较大拉力场。 3 合理的锚固区结构 根据原方案锚固区结构的计算结果，提出了一种 改进的锚固区结构，如图 4 所示。把原结构 N1 板外 侧的两个加劲肋 N3 改为整体板件 N5，并与竖向板件 N1 和水平板件 N2 进行焊接。 新的锚固结构通过板件 N5 中拉力形成的向内弯 矩来平衡吊杆力在 N2 板上产生的向外弯矩，从而改 善竖板 N1 的应力分布。同时，板件 N5 会使得水平板 N2 变成双向板，从而降低原结构沿支撑侧的应力 集中。 图 4 改进的锚固区结构 对新的锚固结构进行有限元分析，竖向板 N1 的 最大 mises 应力为 123. 10 MPa，而水平板 N2 的最大 mises 应力为 243. 32 MPa，均小于钢材抗拉强度 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 值。新结构充分利用了 N1 板的下缘材料，以及 N2 板 的开口两侧材料，使得整块板件受力更加均匀、合理， 有效降低了应力集中。 4 结论 针对梁拱组合体系中混凝土拱肋与吊杆结合部位 的锚固结构形式，讨论了计算锚固区结构局部受力的 合适方法，分析了锚固区结构的传力机理和力学性能。 得到如下结论 : 1 ) 对于拱肋吊杆锚固结构，尽管整体为轴心受拉 构件，受力不大，但如果对锚固结构局部构造处理不 当，容易产生应力集中，造成部分板件变形和受力过 大，甚至屈服。 2 ) 本文提出的拱肋吊杆锚固结构优化方案，即通 过钢板 N5 将水平板下部变成封闭箱室，使得承拉竖 板与承弯水平板的整块板件受力更加均匀、合理，有效 降低了应力集中，整体传力更加流畅，结构的应力也大 幅减少。 参 考 文 献 ［1］李晓琴，李映 ．两座拱梁组合体系桥梁设计分析及比较［J］． 结构工程师，2008，12 ( 6 ) : 19-22． ［2］李映 ．拱梁组合体系桥梁的拱梁相对刚度分析［J］． 桥梁建 设，2008 ( 1 ) : 50-53． ［3］苏庆田，周家兴，吴冲 ． 自锚式悬索桥钢主梁主缆锚固结构 力学性能分析与优化［J］．结构工程师，2012，28 ( 1 ) : 1-7． ［4］张兴春 ．钢管混凝土系杆拱桥施工关键技术及整体稳定性 分析［J］．铁道建筑，2012 ( 8 ) : 5-7． ［5］孙传智，李爱群 ．基于响应面法的系杆拱桥吊杆初内力优化 ［J］．中国公路学报，2012，25 ( 3 ) : 94-99． ［6］李闯，唐英 ． 某飞燕式钢管混凝土系杆拱桥动力特性分析 ［J］．铁道建筑，2012 ( 1 ) : 14-16． ( 责任审编 赵其文) 9 RC系杆拱桥拱肋吊杆锚固结构力学性能分析与优化 作者： 王晓明， 袁远， 郝宪武 作者单位： 王晓明,郝宪武(长安大学 桥梁工程研究所，陕西 西安 710064; 旧桥检测与加固技术交通行业 重点实验室，陕西 西安 710064)， 袁远(长安大学 桥梁工程研究所,陕西 西安,710064) 刊名： 铁道建筑 英文刊名： Railway Engineering 年，卷(期)： 2013(7) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_tdjz201307003.aspx