鋼桁橋變截面箱形桿件軸心受壓穩(wěn)定性試驗研究

齊 舒， 鄭舟軍， 許 梁

(1.中鐵大橋局集團(tuán)武漢橋梁科學(xué)研究院有限公司， 湖北 武漢 430034； 2.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院， 湖北 武漢 430051)

箱形桿件由于力學(xué)性能良好而廣泛應(yīng)用于大跨度鋼桁架橋梁，但是針對箱形桿件穩(wěn)定性的研究不多，對變截面箱形桿件穩(wěn)定性的研究更少。在一些大型公鐵兩用橋梁中，由于作用荷載大，對關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行桿件穩(wěn)定性研究很有必要，文獻(xiàn)[1～5]對蕪湖長江大橋主桁帶加勁肋箱形截面桿件進(jìn)行了殘余應(yīng)力實測和壓桿穩(wěn)定性研究；文獻(xiàn)[6,7]對武漢天興洲公鐵兩用長江大橋鋼桁梁帶加勁肋箱形壓桿進(jìn)行了非線性有限元分析和帶肋加勁板模型試驗研究。

某連續(xù)鋼桁梁拱橋采用變截面箱形桿件，由于該橋整個結(jié)構(gòu)中桿件受力相差懸殊，桿件截面采用2種寬度和4種高度來適應(yīng)不同的受力結(jié)構(gòu)區(qū)段以節(jié)省鋼材[8]。而變截面箱形壓桿的穩(wěn)定性在《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB 10002.2-2005)(簡稱《鋼橋規(guī)》)中無明確規(guī)定，因此需要對關(guān)鍵桿件的構(gòu)造細(xì)節(jié)及整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析和試驗研究。針對該橋，本文以一變截面箱形弦桿為原型，進(jìn)行1∶4縮尺后制作成軸心受壓桿件試驗?zāi)Ｐ停謩e進(jìn)行非線性極限承載力計算和軸心受壓加載試驗，對桿件失穩(wěn)過程中的變形、應(yīng)力和破壞形態(tài)進(jìn)行分析研究。

1 桿件極限承載力計算

1.1 桿件參數(shù)

試驗桿件以某連續(xù)鋼桁梁拱橋的邊跨鋼桁梁上弦桿為原型，進(jìn)行1∶4縮尺制作成試驗?zāi)Ｐ?。桿件為箱形無加勁肋變截面壓桿，截面形狀和力學(xué)參數(shù)分別如圖1和表1所示。試驗桿件有效長度為3005 mm，其中小截面桿長為775 mm，變截面桿長為1800 mm，大截面桿長為430 mm。采用小截面端計算長細(xì)比，得到的沿X軸和Y軸方向的長細(xì)比分別為34.5和48.7，桿件Y軸為弱軸。

圖1 變截面桿件參數(shù)

有效長度/mm截面高度/mm小端截面面積/mm2Ix/×107mm4Iy/×107mm4λxλy3005150～25094058.634.3334.548.7

1.2 計算模型

采用ANSYS軟件分析試驗桿件在軸壓荷載作用下的非線性承載力。計算桿件的所有板件采用大變形彈塑性Shell43單元進(jìn)行模擬。桿件材質(zhì)為Q370qE，材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用雙線性彈塑性模型，屈服應(yīng)力取370 MPa，切線模量Et=0.03E。桿件的最大偏心距為2.5 mm(N4板實測值)，初步偏心率為0.085%。桿件兩端模擬成鉸接，頂部施加均布荷載。

1.3 計算結(jié)果

根據(jù)非線性計算結(jié)果，桿件的極限承載力為3191 kN，此時桿件發(fā)生整體失穩(wěn)，X向的變形如圖2所示。根據(jù)圖3失穩(wěn)位置局部應(yīng)力分布可知，桿件除了整體沿弱軸失穩(wěn)，同時伴有板件翹曲。在失穩(wěn)時，受壓側(cè)板件的Von Mises應(yīng)力較大范圍處于或接近屈服強(qiáng)度。根據(jù)圖4最大水平位移隨荷載變化曲線可知，桿件水平位移前期基本在彈性范圍內(nèi)，且絕對值不大，當(dāng)接近失穩(wěn)荷載時，水平位移快速增加至較大值。計算分析表明桿件整體失穩(wěn)較為突然，具備長細(xì)比較小壓桿失穩(wěn)特點(diǎn)。桿件的最大水平向位移位于桿件小端常截面與變截面的過渡位置，靠近小截面端的0.3L處。

圖2 失穩(wěn)時X向變形/mm

圖3 失穩(wěn)位置局部Von Mises應(yīng)力/MPa

圖4 最大水平位移

2 模型試驗

2.1 模型材質(zhì)與制作

試驗桿件的具體參數(shù)見1.1節(jié)。試驗?zāi)Ｐ陀蓪I(yè)廠家制作完成，所采用的工藝與實橋設(shè)計基本一致。模型結(jié)構(gòu)鋼材采用Q370qE鋼。桿件的焊接采用CO2氣體保護(hù)焊，焊縫檢查符合工藝及驗收規(guī)范要求。試驗前對桿件偏心距進(jìn)行測量，沿弱軸的最大偏心矩為2.5 mm，最大偏心率為0.085%，沿強(qiáng)軸的最大偏心率為0.035%。

2.2 試驗加載

桿件軸心受壓試驗時加載，桿件的上下端采用圓柱滾軸連接模擬鉸接，桿件可以沿滾軸中心沿弱軸轉(zhuǎn)動。下端底座與試驗機(jī)地錨螺栓連結(jié)，上端底座與試驗機(jī)加載端采用螺桿連結(jié)。試驗前在滾軸和圓槽內(nèi)涂黃油，達(dá)到鉸接效果。

試驗前，首先進(jìn)行預(yù)壓。檢測測點(diǎn)工作情況、桿件是否對中、連結(jié)部位是否緊密結(jié)合，并讀取結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移初值等。預(yù)壓結(jié)束后，開始正式試驗。試驗采用分級加載，在2000 kN以內(nèi)，每隔200 kN為一級，2000 kN后每100 kN一級。每級加載時間間隔為3 min，加載前、后分別讀取應(yīng)變和位移值。試驗最后加載至2900 kN，桿件突然失穩(wěn)并出現(xiàn)較大彎曲變形后終止試驗。

2.3 試驗結(jié)果

2.3.1變形分析

在不同加載荷載作用下，桿件的水平位移如圖5所示，加載至800 kN與1600 kN時，桿件各位置上的水平位移極??；當(dāng)加載至2400 kN時，桿件中部的水平位移最大，中部2個位移測點(diǎn)的水平位移增量有所增加；當(dāng)加載至2800 kN時，離小截面端約0.3L位置的水平位移突然增加至9.3 mm，此時桿件水平位移隨著荷載增大陡然增加，最終導(dǎo)致桿件失穩(wěn)?？拷胁康奈灰屏砍什ㄐ畏植?，推測此時板件已經(jīng)屈服。

圖5 位置-位移曲線

2.3.2應(yīng)力分析

不同加載荷載作用下的測點(diǎn)應(yīng)變隨桿件位置的分布如圖6所示，圖中橫坐標(biāo)高度起點(diǎn)為桿件頂部(離圓柱鉸中心150 mm)，往下為正值。由圖6可知，當(dāng)荷載小于1600 kN時，桿件每塊板的測點(diǎn)應(yīng)變分布都比較均勻；當(dāng)加載至2400 kN時，N1、N3和N4板上的個別測點(diǎn)應(yīng)變顯示開始進(jìn)入材料屈服階段，尤其是N3板高度1170 mm和N4板高度890 mm的位置；當(dāng)加載至2800 kN時，N3和N4板應(yīng)變分布有非常明顯凸起，部分測點(diǎn)應(yīng)變已經(jīng)非常大，結(jié)構(gòu)接近失穩(wěn)狀態(tài)。

圖6 不同荷載級測點(diǎn)應(yīng)變

2.3.3破壞形態(tài)分析

圖7為桿件失穩(wěn)后整體形態(tài)，說明桿件整體失穩(wěn)，失穩(wěn)位置偏小截面端，位于離小截面端L/4～2L/5處，沿弱軸失穩(wěn)。圖8為桿件失穩(wěn)部位N3板的局部形態(tài)，可見桿件不僅出現(xiàn)了整體橫向彎曲失穩(wěn)，而且N3板件還出現(xiàn)翹曲，N1板也存在局部翹曲。結(jié)合圖5當(dāng)加載至2800 kN時位移已呈波形分布，桿件整體失穩(wěn)瞬間的荷載為2900 kN，可推測板件翹曲先于桿件整體失穩(wěn)。

圖7 桿件失穩(wěn)后整體形態(tài)

圖8 桿件失穩(wěn)后N3板局部形態(tài)

圖9 試驗?zāi)Ｐ蚇3板翹曲形態(tài)

失穩(wěn)位置位于小截面端靠桿件中間位置，說明小截面端的穩(wěn)定性是變截面桿件穩(wěn)定性的薄弱點(diǎn)。分析桿件失穩(wěn)的原因，除了桿件的長細(xì)比和應(yīng)力水平外，板件的穩(wěn)定性也非常重要。該試件翹曲的N3板寬厚比為22.3，根據(jù)板件失穩(wěn)理論分析，不存在彈性屈曲，結(jié)合應(yīng)變測試數(shù)據(jù)N3板件出現(xiàn)了塑性翹曲。其主要原因是桿件初偏心的影響和局部構(gòu)造導(dǎo)致應(yīng)力分布不均勻或力傳遞不暢。圖9中翹曲1位置上方恰好為板件厚度變截面過渡位置，對應(yīng)于實橋節(jié)點(diǎn)板與弦桿板件的焊接過渡位置，導(dǎo)致過渡后薄板的應(yīng)力水平大于截面平均應(yīng)力。而翹曲1和翹曲2之間恰好位于變截面過渡位置，由于N3板圓弧過渡，在傳力過程中會形成次應(yīng)力，加工過程中也會形成較復(fù)雜的殘余應(yīng)力。

板件橫隔板位置未發(fā)生翹曲及額外橫向變形，說明橫隔板較好地約束了主板，在一定程度上有助于提高板件的穩(wěn)定性，也說明在變截面桿件的變截面位置布置或加密橫隔板是有必要的。

2.3.4穩(wěn)定性系數(shù)分析

試驗?zāi)Ｐ驮诩虞d過程中的極限荷載為2900 kN， 換算得到桿件的穩(wěn)定性系數(shù)為0.833。根據(jù)非線性有限元計算極限荷載得到的穩(wěn)定性系數(shù)為0.917，計算值較實測值稍大。其原因可能由材料性能、初始缺陷及殘余應(yīng)力考慮不周所引起。按照實測桿件長細(xì)比48.7，查得《鋼橋規(guī)》中同長細(xì)比的常截面桿件的穩(wěn)定性系數(shù)為0.817，與本次試驗測試值基本一致。

本次試驗桿件取自鋼桁拱橋的弦桿，這類桿件一般情況為長細(xì)比較小的焊接箱形桿件，失穩(wěn)時均伴有明顯的材料屈服和彈塑性變形，穩(wěn)定性系數(shù)也較高，其整體穩(wěn)定性往往取決于小截面段的穩(wěn)定性。因此，根據(jù)本次試驗結(jié)果，對長細(xì)比小于50(按小截面端計)的箱形變截面桿件，在穩(wěn)定性驗算時建議采用小截面端的截面屬性進(jìn)行驗算。

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)本次試驗結(jié)果，按小截面端計算，長

細(xì)比為48.7的變截面箱形桿件實測穩(wěn)定性系數(shù)為0.833，與《鋼橋規(guī)》中同等長細(xì)比規(guī)定值基本一致。非線性極限承載力計算值較實測值大，說明在未精確考慮初始缺陷等的有限元計算結(jié)果稍偏不保守。

(2)在缺乏試驗數(shù)據(jù)的前提下，對長細(xì)比小于50(按小截面端計)的箱形變截面桿件進(jìn)行穩(wěn)定性驗算時，建議采用小截面端的截面屬性進(jìn)行驗算。

(3)本次變截面箱型桿件失穩(wěn)時伴有板件翹曲，且位于變截面位置，因此建議重視板件的穩(wěn)定性設(shè)計和變截面位置的局部構(gòu)造設(shè)計，在變截面位置應(yīng)設(shè)置橫隔板或加勁肋，以提高板件的局部穩(wěn)定。

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