偏载作用下超宽幅分体钢箱梁扭转效应分析.pdf
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1、桥梁建设 年第 卷第期(总第 期)B r i d g eC o n s t r u c t i o n,V o l ,N o ,(T o t a l l yN o )收稿日期:基金项目:国家重点研发计划项目(Y F B )P r o j e c to fN a t i o n a lK e yR e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n tP r o g r a mo fC h i n a(Y F B )作者简介:肖海珠,教授级高工,E m a i l:x i a o h z b r d i c o m c n.研究方向:铁路、公路桥梁工程设计与管理.通信作者
2、:卫星,教授,E m a i l:w e_s t a r s w j t u e d u c n.研究方向:钢桥及组合结构桥梁力学行为.文章编号:()D O I:/j i s s n 偏载作用下超宽幅分体钢箱梁扭转效应分析肖海珠,周林君,卫星,何东升,肖林(西南交通大学桥梁工程系,四川 成都 ;中铁大桥勘测设计院集团有限公司,湖北 武汉 ;武汉市政工程设计研究院有限责任公司,湖北 武汉 )摘要:为研究不同成桥偏载作用下宽幅分体钢箱梁的扭转效应及结构参数对扭转效应的影响规律,以西堠门公铁两用大桥主桥斜拉悬索协作区段宽幅分体钢箱梁为背景进行有限元分析.该桥为主跨 m的斜拉悬索协作体系桥,主梁为由个
3、流线型扁平钢箱通过箱形横梁连接组成的超宽幅分体钢箱梁.采用A b a q u s软件建立该桥斜拉悬索协作区段宽幅分体钢箱梁精细化有限元模型,计算种偏载工况作用下钢箱梁个典型截面(吊索作用截面、无横梁连接截面、斜拉索作用截面)顶、底板扭转翘曲正应力;分析腹板厚度、横梁宽度以及吊索横向间距对宽幅分体钢箱梁扭转效应的影响.结果表明:种偏载工况作用下宽幅分体钢箱梁扭转效应明显,其中无横梁连接截面扭转效应最为突出,设计时应予以关注;增大腹板厚度可以降低钢箱梁顶、底板扭转效应,增大横梁宽度会增大顶板、腹板中间位置附近的扭转翘曲正应力,但会降低底板的扭转翘曲正应力最大值;吊索横向间距对扭转效应影响较小.关键
4、词:公路铁路两用桥;超宽幅分体钢箱梁;偏载;扭转效应;扭转翘曲正应力;参数分析;有限元法中图分类号:U ;U ;U 文献标志码:AT o r s i o n a lE f f e c t o fV e r yW i d eS p l i t S t e e lB o xG i r d e rS u b j e c t t oE c c e n t r i cL o a d sX I A OH a i z h u,Z H O UL i n j u n,WE IX i n g,HED o n g s h e n g,X I A OL i n(D e p a r t m e n to fB r i
5、d g eE n g i n e e r i n g,S o u t h w e s t J i a o t o n gU n i v e r s i t y,C h e n g d u ,C h i n a;C h i n aR a i l w a yM a j o rB r i d g eR e c o n n a i s s a n c e&D e s i g nI n s t i t u t eC o,L t d,Wu h a n ,C h i n a;Wu h a nM u n i c i p a lE n g i n e e r i n gD e s i g na n dR e s
6、 e a r c hI n s t i t u t eC o,L t d,W u h a n ,C h i n a)A b s t r a c t:I nt h i sp a p e r,t h e t o r s i o n a l e f f e c t a sw e l l a s t h e i n f l u e n c e so f s t r u c t u r a lp a r a m e t e r so nt h e t o r s i o n a l e f f e c to f t h ew i d es p l i t s t e e lb o xg i r d e
7、ru n d e re c c e n t r i c l o a d sa f t e r t h ec o m p l e t i o no f t h eb r i d g ea r es t u d i e d T h em a i nb r i d g eo fX i h o u m e nR a i l c u m R o a dB r i d g e i su s e da sac a s e,w h i c h i sac o m b i n e dc a b l e s t a y e da n ds u s p e n s i o ns t r u c t u r ew i
8、 t ham a i ns p a no f ma n dt h es t i f f e n i n gg i r d e r c o n s i s t s o f t h r e e l a t e r a l s t r e a m l i n e d f l a t s t e e l b o x e s T h e t o r s i o n a lw a r p i n gn o r m a ls t r e s s e s i nt h e t o pa n db o t t o mp l a t e so f t h r e et y p i c a l c r o s s
9、s e c t i o n so f t h es t e e lb o xg i r d e r su n d e rt h r e e t y p e so fe c c e n t r i cl o a d sw e r en u m e r i c a l l ys i m u l a t e di nA b a q u s,i n c l u d i n gt h ec r o s s s e c t i o ns u s p e n d e db yh a n g e r c a b l e s,c r o s s s e c t i o nw i t h o u t c r o
10、s sb e a m s a n d t h e c r o s s s e c t i o ns u p p o r t e db ys t a yc a b l e s T h e i n f l u e n c e s o fm u l t i p l ep a r a m e t e r s o n t h e t o r s i o n a l e f f e c t o f t h ew i d e s p l i t s t e e l b o xg i r d e ra r ea n a l y z e d,i n c l u d i n gt h ew e bt h i c
11、k n e s s,c r o s sb e a mw i d t ha n dt h e t r a n s v e r s es p a c i n go f桥梁建设B r i d g eC o n s t r u c t i o n ,()h a n g e rc a b l e s I ti ss h o w nt h a tt h et o r s i o n a le f f e c to ft h es p l i ts t e e lb o xg i r d e ru n d e rt h r e ee c c e n t r i c l o a d s i ss i g n
12、i f i c a n t,a n dt h et o r s i o n a le f f e c to nt h ec r o s s s e c t i o nw i t h o u tc r o s sb e a m s i st h eg r e a t e s t,w h i c hs h o u l db eg i v e ns p e c i a l c o n c e r ni nd e s i g n T o i n c r e a s et h ew e bt h i c k n e s sc a ni m p r o v e t h e t o r s i o n a
13、l e f f e c t s i nt h e t o pa n db o t t o mp l a t e so f t h es t e e l b o xg i r d e r,w h i l e t oe n l a r g et h ew i d t ho f t h ec r o s sb e a m s i n t e n s i f i e st h et o r s i o n a lw a r p i n gn o r m a l s t r e s s i nt h ev i c i n i t yo f t h ec e n t e ro f t h ew e b,b
14、 u ts u p p r e s s e st h em a x i m u mt o r s i o n a lw a r p i n gn o r m a ls t r e s si nt h eb o t t o mp l a t e s T h e t r a n s v e r s es p a c i n go fh a n g e r c a b l e se x e r t sm i n o r i n f l u e n c eo nt h e t o r s t i o n a l i n f l u e n c e K e yw o r d s:r a i l c u
15、m r o a db r i d g e;v e r yw i d es p l i ts t e e lb o xg i r d e r;e c c e n t r i cl o a d;t o r s i o n a le f f e c t;t o r s i o n a lw a r p i n gn o r m a l s t r e s s;p a r a m e t r i ca n a l y s i s;f i n i t ee l e m e n tm e t h o d引言随着经济发展,交通流量日益增加,为满足多车道公路及多线铁路并行要求,大跨悬索桥、斜拉桥及斜拉悬索协作
16、体系桥梁常采用超宽桥面.大跨桥梁超宽桥面通常采用抗风性能优异的分体钢箱梁作为主梁结构.超宽幅分体钢箱梁通过横梁联系各分离钢箱梁协同受力,横桥向宽度较大,不仅具有整体钢箱梁的所有优点,能适应公铁平层多线路布置需要,而且具有抗风稳定性好及结构自重轻的优势.超宽幅分体钢箱梁具有薄壁杆件的受力和变形特点,较一般箱梁而言,受力更为复杂,常规基于周边刚性假设的杆件弯曲理论、扭转理论不再适用.在偏载作用下,要准确地分析超宽幅分体钢箱梁的空间受力特点,应综合考虑纵向弯曲、横向挠曲、畸变及翘曲种因素的影响.其中,随着桥宽增加,钢箱梁上由约束扭转产生的纵向翘曲正应力几乎与纵向弯曲应力达到同一数量级水平,过大的扭转
17、作用会使钢箱梁截面产生畸变和翘曲变形,严重影响桥梁的正常使用性能.近年来,国内外学者采用解析法 、数值分析法 以及模型试验法 对钢箱梁扭转效应进行了系统的分析,取得很多实质性的成果,为钢箱梁扭转研究提供了强有力的理论支撑,但多集中于单室或多室等截面箱梁,且多为简支或连续结构,对于超宽幅分体钢箱梁这类复杂结构,计算理论尚不成熟,多以有限元法计算为主.为研究不同成桥偏载作用下宽幅分体钢箱梁的扭转效应及结构参数对扭转效应的影响规律,本文以西堠门公铁两用大桥主桥斜拉悬索协作区段宽幅分体钢箱梁为背景进行有限元分析.工程背景西堠门公铁两用大桥主桥采用斜拉悬索协作体系,全长 m,主跨 m ,其立面布置见图.
18、该 桥 主 缆 中 跨 垂 跨 比/,悬 吊 段 长 m,其中纯悬吊段长 m,两侧斜拉悬索协作区段各长 m.主梁由个分离的流线型扁平钢箱通过纵向间隔布置的箱形横梁连接组成,全宽 m(含风嘴),桥面中心线处主梁高m,中间箱宽 m、通行双线铁路,个边箱均宽 m(含风嘴)、共通行车道公路.钢箱梁顶、底板以及曲线腹板厚 mm,锚箱腹板厚 mm,顶板与横梁连接位置局部板厚 mm;顶板U肋厚mm,底板U肋 厚 mm,板 肋 厚 mm.横 梁 顶、底 板 厚 mm,腹板厚 mm,横梁的横隔板厚 mm.横梁连接位置钢箱梁横隔板厚 mm,无横梁连接区域钢箱梁横隔板厚 mm.悬吊段吊索下吊点横向间距 m.该斜拉悬
19、索协作区段宽幅分体钢箱梁横截面见图.图西堠门公铁两用大桥主桥立面布置F i g E l e v a t i o nV i e wo fM a i nB r i d g eo fX i h o u m e nR a i l c u m R o a dB r i d g e偏载作用下超宽幅分体钢箱梁扭转效应分析肖海珠,周林君,卫星,何东升,肖林图斜拉悬索协作区段宽幅分体钢箱梁横截面F i g C r o s s S e c t i o no fW i d eS p l i tS t e e lB o xG i r d e r i nC a b l e S t a y e da n dS u s p
20、 e n s i o nC o o p e r a t i v eS e c t i o n有限元模型及荷载工况 有限元模型采用M I D A SC i v i l软件建立主桥杆系模型 图(a),主梁采用梁格法建模,各分离钢箱梁通过横梁进行连接.采用A b a q u s软件建立该桥斜拉悬索协作区段分体钢箱梁有限元模型 图(b),考虑边界效应取个标准梁段根据实际结构(长 m,材质为Q q E钢)建模,采用S R和S 壳单元模拟,材料本构关系为理想弹塑性模型,弹性模量E为 G P a,泊松比为 ,材料屈服准则选用V o nM i s e s屈服准则.图主桥及斜拉悬索协作区段分体钢箱梁有限元模型F
21、 i g F EM o d e l so fM a i nB r i d g ea n dS p l i tS t e e lB o xG i r d e r i nC a b l e S u s p e n s i o nC o o p e r a t i v eS e c t i o n为保证分体钢箱梁模型没有多余约束,采取悬臂结构形式进行计算:在自由端截面形心耦合节点上施加由主桥杆系模型计算得到的该截面内力,在固结端截面约束形心位置耦合节点的所有位移;斜拉索索力采用节点荷载的方式模拟,在索力作用位置耦合节点上施加索力顺桥向、横桥向、竖向分力.通常约束扭转会引起钢箱梁的翘曲与畸变,钢箱梁截
22、面翘曲将产生约束扭转剪应力与约束扭转翘曲正应力.单独计算约束扭转产生的正应力不可避免地存在误差,为保证计算结果更接近实际结果,在A b a q u s模型计算分析时,考虑扭转与弯曲的耦合效应,将约束扭转引起的扭转翘曲正应力作为计算指标,采用控制变量法控制沿顺桥向任意截面位置的总荷载相同,即保证沿顺桥向各截面弯矩大小相等.分别采用正载和偏载种加载形式,对应正载和偏载作用下截面纵向正应力的差值即为截面在偏载作用下的扭转翘曲正应力,进而可根据扭转翘曲正应力进行扭转效应分析.荷载工况考虑斜拉索索力、吊索索力、恒载、活载等多种荷载作用效应,并根据西堠门公铁两用大桥主桥设计车道,设置运营阶段种正载(工况)
23、及相对应的种偏载(工况)共种荷载工况,见表.二期恒载按等效桥面均布荷载施加;活载分别按照公路级和铁路Z K荷载施加,并计入相应的车道折减系数,为保证对应正载工况与偏载工况的总荷载相同,正载活载数值按 进行折减.表荷载工况T a b L o a dC a s e s工况荷载组成荷载分布自重二期恒载铁路活载公路活载对称加载自重二期恒载铁路活载对称加载自重二期恒载公路活载对称加载自重二期恒载铁路活载公路活载公路、铁路活载同侧单边加载自重二期恒载铁路活载铁路活载单边加载自重二期恒载公路活载公路活载单边加载宽幅分体钢箱梁扭转效应通过扭转翘曲正应力分布表征宽幅分体钢箱梁偏载作用下的扭转效应,偏载和正载对应
24、工况下纵向正应力的差值即为扭转翘曲正应力.选取梁段模型中间标准段的个典型截面(吊索作用截面H、无横梁连接截面H、斜拉索作用截面H)进行分析.将由主桥杆系模型计算得到的对应工况下的力边界条件作用于局部钢箱梁梁段模型,计算得到宽幅分体钢箱梁在种荷载工况下的纵向正应力分布,应力以拉为正,压为负.工况作用下H 截面顶、底板扭转翘曲正应力桥梁建设B r i d g eC o n s t r u c t i o n ,()沿横桥向分布见图.由图可知:工况作用下,H 截面顶、底板扭转翘曲正应力以主梁横截面中心线为轴大致呈反对称分布;H 截面顶、底板均在横梁与 公 路 箱 梁 的 腹 板 连 接 位 置(距
25、截 面 中 心 线 m处)附近扭转翘曲正应力最大,其中顶板扭转翘曲正应力最大值为 M P a,该位置在正载作用下弯曲正应力为 MP a,扭转翘曲正应力与弯曲正应力的比值为 ;底板扭转翘曲正应力最大值为 MP a,该位置在正载作用下弯曲正应力为 MP a,扭转翘曲正应力与弯曲正应力的比值为 .可以看出,扭转对正应力分布的影响显著,宽幅分体钢箱梁设计时应予以考虑.图工况作用下H 截面顶、底板扭转翘曲正应力F i g T o r s i o n a lW a r p i n gN o r m a l S t r e s s e s i nT o pa n dB o t t o mP l a t e
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