幾種橋梁模數(shù)式伸縮裝置邊梁型鋼的受力分析

王　勇　杜　鑌　唐　志

(1.貴州高速公路集團(tuán)有限公司　貴陽(yáng)　550001;　2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司　貴陽(yáng)　550081;

3.山地交通災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室　貴陽(yáng)　550081)

幾種橋梁模數(shù)式伸縮裝置邊梁型鋼的受力分析

王勇1杜鑌2,3唐志2，3

(1.貴州高速公路集團(tuán)有限公司貴陽(yáng)550001;2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司貴陽(yáng)550081;

3.山地交通災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室貴陽(yáng)550081)

摘要模數(shù)式伸縮裝置是橋梁最常用的配套產(chǎn)品，該類裝置的異型鋼邊梁斷裂破壞是使用中常見(jiàn)的病害之一。文中采用ANSYS程序?qū)υ擃惿炜s裝置常用的 C，F(xiàn)，Z，E 4種異型鋼邊梁進(jìn)行了建模計(jì)算。結(jié)果表明，4種異形鋼邊梁中，E形受力性能最好，F(xiàn)形受力性能較差，建議在邊梁選型時(shí)優(yōu)先采用E形鋼截面的邊梁，避免采用F形鋼截面。

關(guān)鍵詞模數(shù)式伸縮裝置邊梁型鋼受力分析

模數(shù)式伸縮裝置是橋梁最常用的配套產(chǎn)品，在山區(qū)高速公路橋梁中得到了廣泛應(yīng)用，主要有單縫式和用于大位移的多縫式2種。從該類伸縮裝置的主體結(jié)構(gòu)使用狀況來(lái)看，無(wú)論是單縫式還是多縫式伸縮裝置，異型鋼邊梁及中梁斷裂破壞是長(zhǎng)見(jiàn)的病害之一，見(jiàn)圖1。目前常用的模數(shù)式型鋼伸縮裝置主要有馬格巴、毛勒、萬(wàn)寶、布朗，以及國(guó)產(chǎn)的GQF型等，這類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理論和工作原理是基本相同的。這類伸縮裝置中梁一般均采用 I 形鋼梁，但其異型鋼邊梁卻有多種結(jié)構(gòu)形式，常用的邊梁形式主要有C，F(xiàn)，Z，及E形4種異型鋼梁截面。從邊梁的損壞、斷裂來(lái)看，這幾種類型的型鋼邊梁其破壞程度不同，總體來(lái)說(shuō)，E形鋼的破壞程度較輕，破壞較少。顯然，這類伸縮裝置的邊梁損壞除與施工及養(yǎng)護(hù)等存在不足外，與伸縮裝置本體結(jié)構(gòu)受力也存在著一定關(guān)系。為了解C，F(xiàn)，Z及E形4種異型鋼梁截面在伸縮裝置中的受力狀態(tài)，同時(shí)為邊梁的選型提供依據(jù)，以更好地提高伸縮裝置的工作性能，筆者采用有限元程序ANSYS分別建立了這4種不同類型邊梁的實(shí)體模型，對(duì)其受力狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，有關(guān)結(jié)論供參考。

圖1模數(shù)式伸縮裝置邊梁斷裂破壞

1有限元模型的建立

結(jié)合目前常用的橋梁寬度、車道及車輪布置特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)受力分析采用高速公路單幅橋面寬度12 m建模，研究針對(duì)C，F(xiàn)，Z及E形4種異型鋼梁截面分別建立了型鋼的2D模型和3D整體受力模型。結(jié)合到邊梁的受力特點(diǎn)，采用2D模型能較好地模擬在規(guī)范規(guī)定的荷載下各型鋼截面應(yīng)力大小及應(yīng)力分布情況。單元類型采用了二次減縮積分單元CPS8R，計(jì)算模型中，考慮到截面變化導(dǎo)致的集中應(yīng)力影響，采用加密了網(wǎng)格的密度，使用了二次單元使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分方法進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，建立?D模型，見(jiàn)圖2。計(jì)算模型假設(shè)異型鋼邊梁在車輛載荷作用下處于彈性受力階段，在材料特性的選擇上僅考慮了其彈性工作階段，設(shè)置材料彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。建模時(shí)結(jié)構(gòu)的邊界條件及荷載選擇如下。

(1) 邊界條件的確定。模數(shù)式伸縮裝置的邊梁與橋梁上部結(jié)構(gòu)主梁的連接方式是在邊梁下緣焊接連接鋼板，之后在連接鋼板上焊接錨固環(huán)，施工時(shí)在橋梁上部結(jié)構(gòu)主梁預(yù)留槽口內(nèi)將錨固環(huán)與預(yù)埋鋼筋連接并橫穿橫橋向的連接鋼筋。因此在理想施工狀態(tài)下，可以將計(jì)算模型的邊界條件簡(jiǎn)化為邊梁下緣與主梁為面接觸并為固結(jié)狀態(tài)。

(2) 計(jì)算荷載的確定,根據(jù)文獻(xiàn)[1]有關(guān)規(guī)定，采用規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)車輛疲勞荷載加載，取豎向均布載荷作用192.58 kN，水平荷載作用為64.19 kN。

圖2　C，F(xiàn)，Z，E 4種型鋼2D模型

2計(jì)算結(jié)果及分析

圖3為C、F、Z及E形4種異型鋼梁在疲勞荷載作用下應(yīng)力云圖，表1為相應(yīng)的異型鋼邊梁對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力值表。

圖3　4種異型鋼邊梁的van Mises應(yīng)力云圖

表1　4種異型鋼邊梁在荷載作用下的應(yīng)力值　MPa

由圖3及表1可見(jiàn)，在疲勞荷載作用下，C，F(xiàn)，Z，E 4種型鋼van Mises應(yīng)力中最大的為F形，其值為225.1 MPa，最小的為E形，其值為172.8 MPa，C形鋼最大應(yīng)力在C內(nèi)側(cè)與下座結(jié)合處位置，F(xiàn)形鋼最大應(yīng)力在上腹板內(nèi)側(cè)位置，Z形鋼最大應(yīng)力在上腹板內(nèi)側(cè)位置，E形鋼最大應(yīng)力在下腹板內(nèi)側(cè)上端位置，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在各型鋼截面最薄弱位置。目前，常用模數(shù)式伸縮裝置采用的材料主要為Q345(16 MN)，顯然，其抗彎強(qiáng)度允許值(310 MPa)均大于4種異型鋼邊梁的計(jì)算值，說(shuō)明型鋼的靜力強(qiáng)度儲(chǔ)備能滿足伸縮裝置的受力要求。

橋梁伸縮裝置長(zhǎng)期處于動(dòng)荷載的作用下，根據(jù)橋梁的設(shè)計(jì)通行和實(shí)際使用狀況，其循環(huán)變化次數(shù)遠(yuǎn)大于50 000次，一般情況下，建成通車后1年就會(huì)達(dá)到甚至超過(guò) 2×106次，參考規(guī)范[2]第6.2.3條表6.2.3.2，其容許應(yīng)力幅見(jiàn)表2。根據(jù)疲勞構(gòu)件和連接分類，邊梁可歸為“1”類，其疲勞容許應(yīng)力為176 MPa。顯然，從疲勞應(yīng)力幅值來(lái)看，E形鋼邊梁應(yīng)力基本滿足疲勞構(gòu)件的強(qiáng)度的要求，C，Z形鋼截面形式邊梁應(yīng)力有少許的超標(biāo)，而F形鋼邊梁的受力遠(yuǎn)大于了疲勞應(yīng)力的控制容許應(yīng)力幅。也就是說(shuō)，在考慮疲勞受力后，F(xiàn)形截面邊梁的強(qiáng)度不能滿足疲勞要求。

表2循環(huán)次數(shù)n為2×106次的容許應(yīng)力幅

MPa

注：“構(gòu)件和連接類別”指鋼結(jié)構(gòu)的形式和連接形式，具體見(jiàn)文獻(xiàn)[2]第6.2.3條有關(guān)條文。

3結(jié)論

通過(guò)對(duì)C，F(xiàn)，Z，及E形4種常用模數(shù)式伸縮裝置異型鋼邊梁的疲勞荷載作用下數(shù)值分析，得到以下結(jié)論。

(1) 目前，常用模數(shù)式伸縮裝置采用的材料主要為Q345(16 MN)，其抗彎強(qiáng)度允許值(310 MPa)均大于4種異型鋼邊梁的計(jì)算值，說(shuō)明型鋼的靜力強(qiáng)度儲(chǔ)備能滿足伸縮裝置的受力要求。

(2) 在疲勞荷載作用下，F(xiàn)形鋼邊梁應(yīng)力大幅超標(biāo)，C，Z形鋼邊梁截面形式應(yīng)力有少許的超標(biāo)，僅E形鋼邊梁基本滿足疲勞構(gòu)件的強(qiáng)度要求。

(3) 從結(jié)構(gòu)受力上看，模數(shù)式伸縮裝置邊梁中，E形鋼邊梁受力性能較好，F(xiàn)形鋼邊梁受力性能較差，從結(jié)構(gòu)構(gòu)造上看，E形鋼邊梁底緣寬度70 mm，而F形鋼邊梁底緣只有其腹板厚度16 mm，考慮到施工稍有誤差情況時(shí)，F(xiàn)形鋼邊梁底部難以與混凝土主梁有效結(jié)合，因此，模數(shù)式伸縮裝置的邊梁應(yīng)優(yōu)先選擇E形鋼截面形式，避免采用F形鋼。

收稿日期：2015-05-28

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.05.006