六跨連續(xù)鋼桁拱橋主桁下弦運(yùn)行點(diǎn)局部分析

六跨連續(xù)鋼桁拱橋主桁下弦運(yùn)行點(diǎn)局部分析

京滬高速南京大勝關(guān)大橋是一座6號(hào)鐵路橋。主橋?yàn)?08m-196m-136m-1936m-192m-108m，采用連續(xù)鋼梁拱橋，主橋?yàn)槿齻€(gè)主梁，寬15.0m，全長12m和15m，如圖1所示。這種規(guī)模的大橋在國內(nèi)外都史無前例。該橋設(shè)計(jì)活載為京滬雙線高速正線鐵路、滬漢蓉雙線Ⅰ級(jí)干線鐵路以及南京市雙線地鐵荷載,高速正線設(shè)計(jì)行車速度目標(biāo)值為300km/h。由于高速列車安全行車的需要,橋面系采用道碴整體橋面的多橫梁結(jié)構(gòu)體系,即除結(jié)點(diǎn)處設(shè)有大橫梁外,每個(gè)節(jié)間內(nèi)還設(shè)有3根小橫梁,正交異性鋼橋面板和主桁的下弦桿焊接在一起,混凝土道碴板與鋼正交異性板相結(jié)合,橋面結(jié)構(gòu)直接參與下弦桿受力。主橋橫斷面如圖2所示。每個(gè)主桁結(jié)點(diǎn)與多根桿件相連,周邊還與鋼正交異性板固聯(lián),結(jié)點(diǎn)處設(shè)有結(jié)點(diǎn)板、橫隔板、加勁肋等,結(jié)構(gòu)構(gòu)造很復(fù)雜。在整體分析中,很難考慮構(gòu)造細(xì)節(jié),計(jì)算結(jié)果不足以反應(yīng)結(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布。因此,需在整體分析計(jì)算的基礎(chǔ)上,選擇受力較大且具有代表性的主桁結(jié)點(diǎn),對(duì)其網(wǎng)格細(xì)化后進(jìn)行局部應(yīng)力分析,研究結(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布。1彈性控制部位選取選定要進(jìn)行局部分析的結(jié)點(diǎn),以一定的截取原則確定出結(jié)點(diǎn)有限元模型的范圍,建立結(jié)點(diǎn)有限元模型,該模型包括結(jié)點(diǎn)板和與結(jié)點(diǎn)相連的各主桁桿件、橫梁、鋼橋面板。由全橋整體分析可知,結(jié)點(diǎn)ME9受力狀態(tài)復(fù)雜,與該結(jié)點(diǎn)相連的各個(gè)桿件的桿端截面應(yīng)力水平較高,故選取該結(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部應(yīng)力分析。圖1和圖2所示為結(jié)點(diǎn)ME9選取位置示意圖。結(jié)點(diǎn)局部分析是建立在整體分析的基礎(chǔ)上。根據(jù)整體分析結(jié)果,求出結(jié)點(diǎn)的可能最不利活載工況,在結(jié)點(diǎn)有限元模型上施加力邊界條件和位移邊界條件,對(duì)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部分析。1.1相對(duì)于現(xiàn)有控制點(diǎn)外邊界點(diǎn)的內(nèi)壓力結(jié)點(diǎn)局部有限元模型的邊界條件是依據(jù)靜力等效原則施加在桿端和橋面板截?cái)嗵幍摹８鶕?jù)圣維南原理,靜力等效只對(duì)近處的應(yīng)力分布有顯著的改變,遠(yuǎn)處所受的影響可以忽略不計(jì)。所以為了保證結(jié)點(diǎn)局部分析結(jié)果的精度,邊界條件施加位置需遠(yuǎn)離結(jié)點(diǎn)。按如下原則截取結(jié)點(diǎn):每側(cè)截?cái)嗵幘嘟Y(jié)點(diǎn)中心大于結(jié)點(diǎn)板的高度和長度,截?cái)嗟拿扛鶙U件伸出結(jié)點(diǎn)板長度大于桿件截面的高度和寬度。結(jié)點(diǎn)ME9的實(shí)際截取范圍為:北京側(cè)下弦桿和上海側(cè)下弦桿各取4.5m,高速側(cè)大橫梁取3.77m,滬蓉側(cè)大橫梁取3.95m,豎桿和斜桿各取5m,見圖3。結(jié)點(diǎn)離周邊足夠遠(yuǎn),按靜力等效原則在邊界上施加邊界條件不會(huì)影響結(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)。1.2有限元模型對(duì)結(jié)點(diǎn)ME9中的鋼橋面板和各個(gè)桿件的板件均采用板殼單元進(jìn)行離散,整個(gè)有限元模型共有161638個(gè)板殼單元,91483個(gè)節(jié)點(diǎn),有限元模型見圖4。結(jié)點(diǎn)在荷載、支座反力和邊界荷載的共同作用下,處于靜力自平衡狀態(tài)。因此,有限元分析計(jì)算時(shí),將豎桿桿端截面所有結(jié)點(diǎn)的x,y和z3個(gè)方向的線位移進(jìn)行約束,以消除剛體位移。1.3misen屈服準(zhǔn)則組成結(jié)點(diǎn)ME9的各板件全部選用Q370鋼材,材料特性如下:彈性模量E=2.1×106MPa;屈服強(qiáng)度σs=370MPa;屈服準(zhǔn)則為VonMises屈服準(zhǔn)則;Mises當(dāng)量應(yīng)力為σeq=12[(σ1?σ2)2+(σ1?σ3)2+(σ2?σ3)2]???????????????????????????????√σeq=12[(σ1-σ2)2+(σ1-σ3)2+(σ2-σ3)2]。構(gòu)成結(jié)點(diǎn)ME9的主要部分有:下弦桿頂?shù)装搴透拱?、大橫梁腹板、豎桿斜桿的腹板、結(jié)點(diǎn)板、座板、肋板、拼接板。表1列出了以上板件的材質(zhì)和板厚。2結(jié)論及其可能最不利活載工況在結(jié)構(gòu)力學(xué)中,最不利活載工況是針對(duì)某一桿件某一截面上的某一量值(如彎距與剪力等)定義的。由于結(jié)點(diǎn)與多根桿件相連,結(jié)點(diǎn)的最不利活載工況是針對(duì)結(jié)點(diǎn)應(yīng)力水平的高低和高應(yīng)力區(qū)域大小而言的,故結(jié)點(diǎn)可能存在多種受力較為不利的活載工況,統(tǒng)稱為結(jié)點(diǎn)可能最不利活載工況。結(jié)點(diǎn)ME9與6根桿件相連,每根桿件有6個(gè)桿端內(nèi)力,與結(jié)點(diǎn)相關(guān)的桿端內(nèi)力共有36種。在這36種桿端內(nèi)力中,一部分是主要內(nèi)力,另一部分是次要內(nèi)力。由于次要內(nèi)力對(duì)結(jié)點(diǎn)的受力影響不大,故只需從主要桿端內(nèi)力中找出可能引起結(jié)點(diǎn)應(yīng)力水平較高的活載工況,此即結(jié)點(diǎn)可能最不利活載工況。由整體分析得到與結(jié)點(diǎn)相連的每根桿件的主要桿端內(nèi)力的最不利活載工況。在這些活載工況中,找出引起結(jié)點(diǎn)處桿端截面綜合正應(yīng)力(桿端截面在軸力、面內(nèi)彎矩、面外彎矩共同作用下的正應(yīng)力)較大的幾種活載工況,將這幾種活載工況稱為結(jié)點(diǎn)可能最不利活載工況。ME9位于支座處的結(jié)點(diǎn),支反力最不利活載工況也是該結(jié)點(diǎn)可能最不利活載工況之一。與結(jié)點(diǎn)ME9相連的各桿件中,下弦桿主要承受軸力N、面內(nèi)彎矩M內(nèi)和豎向剪力Q豎;豎桿、斜桿主要承受軸力N;大橫梁主要承受面內(nèi)彎矩M內(nèi)、豎向剪力Q豎。通過全橋影響線最不利位置加載的計(jì)算,得出以下結(jié)論:對(duì)于北京側(cè)下弦桿、上海側(cè)下弦桿、滬蓉側(cè)大橫梁、高速側(cè)大橫梁,各根桿件M內(nèi)和Q豎的最不利活載位置相同,豎桿和斜桿軸力N的最不利活載位置相同。與結(jié)點(diǎn)ME9相連桿件在各自主要內(nèi)力的最不利活載作用下,桿端截面的最大綜合正應(yīng)力見表2。由表2可以看出:對(duì)于下弦桿,工況3和4引起的桿端截面最大綜合正應(yīng)力比工況1和2大;對(duì)于大橫梁,工況5引起的桿端截面最大綜合正應(yīng)力比工況6的大?？紤]到結(jié)點(diǎn)ME9位于支座處,本文選取如下5種工況為該結(jié)點(diǎn)的可能最不利活載工況:1)上海側(cè)下弦桿軸力N的最不利活載工況。2)上海側(cè)下弦桿M內(nèi)和Q豎的最不利活載工況。3)滬蓉側(cè)大橫梁M內(nèi)和Q豎的最不利活載工況。4)豎桿、斜桿軸力N的最不利活載工況。5)支反力最不利活載工況。3結(jié)論不穩(wěn)定區(qū)域?qū)?種可能最不利活載工況分別和恒載組合,對(duì)結(jié)點(diǎn)ME9進(jìn)行5種荷載組合工況下的局部分析,最大應(yīng)力及其分布見表3。由該表可見:在這5種工況下,結(jié)點(diǎn)的應(yīng)力水平都較高,但最大當(dāng)量應(yīng)力都沒超過材料屈服極限,結(jié)點(diǎn)仍處于彈性狀態(tài),高應(yīng)力區(qū)域范圍也不太大。上述結(jié)果在全橋整體分析中無法獲得。由于在5種工況下,結(jié)點(diǎn)應(yīng)力水平相差不是很大,最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置也較接近,所以,本文選取受力相對(duì)較大的工況1與橫向風(fēng)荷載進(jìn)行組合,對(duì)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部分析,研究結(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布情況。在上述分析的基礎(chǔ)上,再將5種工況分別與橫向風(fēng)荷載組合,求出結(jié)點(diǎn)ME9在恒載+結(jié)點(diǎn)可能最不利活載+橫向風(fēng)荷載作用下應(yīng)力分布情況。由于在5種工況作用下,結(jié)點(diǎn)ME9的應(yīng)力水平、最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置及范圍差別并不很大,所以,下面只分析表3中應(yīng)力水平較高的工況1與風(fēng)荷載組合后的計(jì)算結(jié)果,其他組合下的計(jì)算結(jié)果與此類似。4尾尾尾下點(diǎn)火板應(yīng)力橫向靜風(fēng)荷載是指:靜風(fēng)荷載強(qiáng)度乘以受風(fēng)面積,各桿件的靜風(fēng)荷載受風(fēng)面積取單幅桁架桿件的側(cè)面實(shí)際面積與單幅輕軌縱梁側(cè)面積之和。由于結(jié)點(diǎn)板的受力情況對(duì)設(shè)計(jì)較為重要而整體分析中又無法獲得,故有必要對(duì)結(jié)點(diǎn)板的應(yīng)力分布進(jìn)行詳細(xì)的介紹。表4所示為結(jié)點(diǎn)ME9在恒載+結(jié)點(diǎn)可能最不利活載工況+橫向風(fēng)荷載下的結(jié)點(diǎn)板應(yīng)力概況。相關(guān)應(yīng)力云圖見圖6~8。由表4可知:1)結(jié)點(diǎn)板主要承受順橋向和豎向的壓應(yīng)力,大部分區(qū)域的壓應(yīng)力在-162MPa以下。順橋向壓應(yīng)力最大值為-200MPa,出現(xiàn)在豎桿、斜桿與結(jié)點(diǎn)板的交匯處,區(qū)域面積約為4cm×4cm;豎向壓應(yīng)力最大值為-264MPa,出現(xiàn)在斜桿端頭與結(jié)點(diǎn)板的連接處,區(qū)域面積約為4cm×5cm。2)結(jié)點(diǎn)板大部分區(qū)域的當(dāng)量應(yīng)力在146MPa以下。最大當(dāng)量應(yīng)力為312MPa,出現(xiàn)在大橫梁腹板與結(jié)點(diǎn)板連接處的頂部,區(qū)域面積約為2cm×5cm。3)比較表3和表4可知,橫向風(fēng)荷載對(duì)中桁結(jié)點(diǎn)的受力情況影響不大。5局部分析對(duì)比在恒載+結(jié)點(diǎn)可能最不利活載工況+橫向風(fēng)荷載下,結(jié)點(diǎn)ME9處大橫梁上方鋼橋面板順橋向正應(yīng)力的局部分析和整體分析結(jié)果見圖9,下弦桿底板順橋向正應(yīng)力的局部分析和整體分析結(jié)果見圖10。從圖9可以看出:在整體分析中,鋼橋面板最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在結(jié)點(diǎn)中心處,應(yīng)力為70MPa;在局部分析中,由于考慮了結(jié)點(diǎn)板和下弦桿頂板加勁肋的作用,只有在下弦桿頂板加勁肋處受拉,鋼橋面板最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在與結(jié)點(diǎn)板的交界處,為55MPa。2塊結(jié)點(diǎn)板之間的鋼橋面板處于受壓狀態(tài),其實(shí),該處屬于下弦桿的頂板,而不屬于橫梁,但在整體分析中,它屬于橫梁的上翼緣。從圖10可以看出:在整體分析中,主桁下弦桿底板最大順橋向正應(yīng)力出現(xiàn)在支座位置處,應(yīng)力為-319MPa;在局部分析中,該位置的應(yīng)力為-70MPa,兩者差別很大。通過以上對(duì)比結(jié)果可以得到以下結(jié)論:由于局部分析考慮了結(jié)點(diǎn)板、加勁肋、橫隔板和下弦桿在結(jié)點(diǎn)處加高等局部構(gòu)造細(xì)節(jié),計(jì)算結(jié)果更為可靠。所以,在整體分析的基礎(chǔ)上,有必要進(jìn)行局部分析。6