半整体式桥台桥梁合成梁式结点的受力性能研究

半整体式桥台桥梁合成梁式结点的受力性能研究

(总第93期)2005年第3期

福　　建　　建　　筑

FujianArchitecture&ConstructionVol 93

No3 2005

半整体式桥台桥梁合成梁式结点的受力性能研究

陈朝慰1　彭大文2

(1福州大学土木建筑工程学院,福州　350002;2上海市应用技术学院土建系,上海　200235)

摘　要:介绍半整体式桥台桥梁合成梁式结点的构造、所用材料和施工顺序。用ANSYS有限元通用程序建立该结点的有限元模型,研究模型的受力性能及不同参数对其的影响;同时还与其它结点构造的受力特点进行比较分析;本研究结果可供该类桥梁的设计与施工参考。

关键词:半整体式桥台桥梁　受力性能　有限元分析　桥台结点中图分类号:U448　　文献标识码:A　　文章编号:1004-6135(2005)03-0012-03

AnalyseoftheloadedpropertyaboutPartIABSwithcompositivecrunode

ChenChao-weiPengDa-wen

(Collegeofcivilengineeringandarchitecture,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian,350002)

Abstract:Thestructure,thematerialandtheconstructuringsequencearedescribedinthepaper1Theloadedpropertyisanalysedbyfi2

niteelementmodel,aswellasthediffirentparametreiscarriedthrough1AndtheloadedpropertyofallkindsofcrunodalstucturesiscoM2Pared1Thestudyingresultscanbemadereferencetothedesignandconstructionofthejointlessbridges1

Keywords:PIAB;loadedproperty;FEM;abutmentcronode;1　概述

公路桥梁的伸缩缝已成为桥梁的施工和维护难题之一,它不但昂贵且需要长期的维护。为了避免伸缩缝带来的不便,最好的办法就是取消伸缩缝,这就是通常所说的无伸缩缝桥梁,常用的有整体式和半整体式桥台桥梁。它们和有伸缩缝桥梁的主要区别在于主梁梁端与桥台是连成一体的,而整体式与半整体式桥台桥梁之间的区别在于上部结构和下部的连接方式不同,整体式桥台桥梁的主梁和桥台是整体浇注在一起的,半整体式桥台桥梁的主梁与桥台是通过铰结点构造方式来连接的[1]。本文提出一种受力性能介于整体式和半整体式桥台桥梁之间的结点构造方式—合成梁式的结点构造,并详细介绍所用材料和施工顺序;用ANSYS有限元通用程序建立了该结点的有限元模型;研究在最不利荷载情况下的结点受力性能及结点参数对受力性能的影响;研究结果可供该类桥梁的设计与施工参考。

2　合成梁式结点

211结点的构造

合成梁式结点的构造形式如图1所示,其细部构造是在上下部结构之间采用弧形钢板与钢管进行连接,由于钢板与钢管之间存在着摩擦,同时弧形钢板是外套在钢管上,当上部结构在荷载、温度变化、混凝土的收缩、徐变产生转动或水平位移时,下部结构对上部结构具有一定的抵抗作用;钢管主要起连接和模板作用,下部结构采用柔性基础。该结点的主要特点是下部结构对上部结构因荷载产生的转动和水平移动具有一定的约束,使得下部对上部结构的连接作用介于固结与铰结之间,采用这种结点构造的桥梁受力介于整体式和半整

图1　合成梁式结点构造图

后(约一半台帽高度),停止浇筑,预留连接钢筋;对预制钢管钻孔,把U形钢筋穿过钢管,留在钢管内;把钢管固定到台帽设计高度位置处;台帽内预留钢筋与通过钢管的倒U形筋进行焊接后,再浇筑台帽和钢管内的混凝土,保证两者共同受力;最后把预制主梁安放在钢管上,调整位置,保证钢板与钢管吻合。

体式桥台桥梁之间。

212合成梁式结点的施工方式

依据国外有关无伸缩缝桥梁的建造资料[2],本文建议合成梁式结点的施工顺序为:当混凝土的台帽浇筑到设计高度

图2　钢管与台帽结合方法图

在钢管内填充混凝土目的是增大支座截面刚度,同时由于钢管与上面的弧形钢板摩擦系数比钢管与混凝土的摩擦系数小,有利于结构变形。钢管与台帽的结合见图2所示。

施工时要注意:钢管上钻孔的孔洞大小要满足倒U形钢

半整体式桥台桥梁合成梁式结点的受力性能研究

筋的自由通过,U形钢筋的数量根据台帽的主筋确定。在弧

形钢板的适当地方要设置剪力键,保证弧形钢板与主梁没有横桥向移动。剪力键的位置与数量可按组合结构剪力键的计算[3]确定。还要采取必要措施减少弧形钢板与钢管之间的摩擦力,如加润滑剂等。

3　合成梁式结点的受力性能分析

311有限元模型中的单元说明

本文采用大型通用结构分析程序ANSYS建立空间块体有限元模型进行分析。

在合成梁式结点有限元模型中,主梁、钢管、钢板、桥台、桩采用三维结构块体单元Solid73,该单元拥有8个结点,每个结点有六个自由度,采用该单元还可以读取各部位的应力分布情况和便于施加位移边界条件[4]。模型中的钢管和钢板结构块体之间的连接采用三维conta170目标面单元、con2

[4]

ta174四结点接触面单元。还采用在一维、二维或三维应用中有轴向拉压或扭转能力的弹簧单元COMBIN14来模拟桩—土之间的相互作用,忽略土的阻尼影响,这是目前常用的桩—土相互作用分析模型。土体弹簧刚度按文献[5]中的有关公式计算。

312结点受力分析的顺序和荷载工况

现以一个实桥为参考,按合成梁式结点建立无伸缩缝桥梁的有限元模型,选用的实桥为(10+14+10)m三跨钢筋混凝土连续板桥,板厚65cm,桥宽(7+2×0125)m,设计荷载为汽车-20级。对该模型进行节点受力分析的步骤如下:

1、建立全桥梁格体系的有限元模型,分析各种荷载工况下结点位置处的内力,得出最不利的荷载工况和对应的内力组合;

2、对应于最大的内力组合工况,建立结点的块体有限元模型,分析结点所产生的位移和应力;

3、考察在此工况下桩的应力分布状况,了解混凝土桩的开裂情况;

4、当结点应力较大,不能满足设计要求时,则修改结点尺寸,重新计算,直到满足对结点的设计和施工要求。

计算时的荷载工况为:工况一:自重荷载+汽车荷载;工况二:自重荷载+汽车荷载+温降20度+混凝土的收缩;工况三:自重荷载+汽车荷载+温升20度。其中汽车荷载都是按对结点受力最不利时进行布载。313结点的受力分析

由于合成梁式结点与固结结点的施工顺序不同,采用合成梁式结点的无伸缩缝桥梁其一期恒载对下部结构是有弯矩作用的[1]。根据上述三种工况,计算出三种工况下Ⅳ-Ⅳ截面(钢板相接触的钢管截面)的内力,计算结果如表1所示。结点详图如图3所示;截面位置图如图4所示,其中I-I截面表示块体模型的边界面,II-II截面表示台帽截取面,III-III截面表示主梁上靠近结点的截面,IV-IV截面表示与钢板相接触的钢管截面,2处表示II-II截面与台帽左边面交线的中点处。表1　合成梁式结点的IV-IV截面在各种工况下的内力值

荷载工况工况一工况二工况三

FX(kN)90164

FY(kN)

FZ(kN)

MX

MY

MZ92185

(kN m(kN m)(kN m)

图3　合成梁式结点详图

图4　合成梁式结点截面位置图

从表1可以看出,工况二,工况三产生的内力组合对结点

受力更不利,所以取这两个工况对结点进行受力分析。

取I-I截面左边结构建立结点的块体模型,I-I截面的位移为结点有限元块体结构的边界条件,把作用在全桥模型上的外荷载加在对应的位置上,分析混凝土桩的开裂状况,从ANSYS对结点的分析结果来看,不管是工况二还是工况三作用时,混凝土桩都没有开裂,反映混凝土桩基础的工作状况良好。

在工况二和工况三作用下,结点的工作情况如表2所示。

表2　结点的工作情况表

最大应力

(MPa)

最小应力

(MPa)

工作情况

支点截面产生4189MPa拉应力

和5197MPa的压应力,Ⅳ-Ⅳ截面产生3169MPa拉应力和3173MPa的压应力,Ⅲ-Ⅲ截面产生114MPa的拉应力和0199MPa的压应力。

支点截面产生3169MPa拉应力和4139MPa的压应力,Ⅳ-Ⅳ截面产生2133MPa拉应力和2154MPa的压应力,Ⅲ-Ⅲ截面产生018MPa的拉应力和116MPa的压应力。

工况二

4189-5197

工况三

3169-4139

2161910

2212129215551844318721429120103

20104010428154281532614024109

241094121

27061713518

从表2可以看出,合成梁方式结点在工况二和工况三作用下,在支点和Ⅳ-Ⅳ截面,用的是钢板和钢管,其抗拉和抗压应力是235MPa,远大于荷载产生的应力值,所以支点和Ⅳ-Ⅳ截面并不会破坏。在支点截面与搭板牛腿的交界处产生的最大拉应力为2141MPa,小于C50混凝土抗拉应力2145

半整体式桥台桥梁合成梁式结点的受力性能研究

MPa,也不会产生裂缝。

可见,采用合成梁式结点的构造虽然会在一些部位产生

应力集中,但都能满足结构设计要求。314合成梁式结点参数分析

31411桩的相对刚度对结点受力性能的影响

为了解桩长与桩径变化对结点受力性能的影响,在这里引进相对刚度这个概念。相对刚度表示的是桩截面惯性矩与桩截面面积和桩长平方乘积之间的比值,是一个无量纲单位,它反应了桩的相对刚度变化状况,本文中用λ符号表示,并定义λ2=

对于圆形桩,公式可写为:λ=。2。4lEAl

分析时,认为桥台台帽部分的尺寸不变,取桥台高度为

110m,搭板长度为3m,桩径分别取d=018m与d=110m,计算出对应的相对刚度值。利用ANSYS分析出各截面的应力值随相对刚度变化,分别如图5和图6的曲线所示。

图7　工况二:截面应力与台高变化图

图8　工况三:截面应力与台高变化图

图5　工况二:截面应力与相对刚度变化图

截面最大拉应力和最大压应力值都在增大,对结构的受力是

不利的。

31413桥台长度变化对结点的受力性能的影响

计算分析时,只改变桥台的纵向长度,其它条件都保持不变。取桥台底面长度1m,114m,116m,118m,和2m,重新进行建模计算。在工况二、三作用下,支点截面、Ⅳ-Ⅳ截面和Ⅲ-Ⅲ截面的最大最小的应力值随桥台长度变化如图9、10的曲线所示。

图6　工况三:截面应力与相对刚度变化图

对图5和图6的分析可以认为,合成梁结点的无伸缩缝桥梁,桩的相对刚度增大将引起结点应力的增加,对结点的受力不利,但从图中也可以看出,桩存在一个相对合适刚度,当桩的相对刚度不超过这个值时,对结点的受力几乎没有影响。31412桥台高度的变化对结点的受力性能的影响

假设上部结构几何形状保持不变,台帽高度取为110m不变,增加台身的高度,下部桩长、桩径不变,取桥台总高度变量分别为2m,3m,4m,5m和6m重新进行建模计算。在工况二、三作用下,Ⅳ-Ⅳ截面、支点截面和Ⅲ-Ⅲ截面的最大、最小的应力值随台高变化如图7,8的曲线所示。

从图7、图8可以看出,对于采用合成梁式结点的无伸缩缝桥梁,当桥台的高度增大时,支点截面、Ⅳ-Ⅳ截面、Ⅲ-Ⅲ

图9　工况二:截面应力与桥台长度变化图

从图9和图10中可以看到随着桥台纵向长度的增大,支

点截面、Ⅳ-Ⅳ截面和Ⅲ-Ⅲ截面最大拉压应力值都在增大,因此设计时在满足承载力的情况下,桥台的高度和长度应取

(下转第30页)小值。

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(总第93期)2005年第3期陈晓冬等 闭口箱梁表面风压试验及颤振机理研究 　30

自由振动　16175m/s颤振发散风速

3　结语

本文在桥梁断面表面压力分布规律研究方面以测压方法

作了一些初步尝试,认为同步测压法便于直观描绘气动力对于模型的作用过程,不仅可以清楚再现桥梁节段模型颤抖振运动形态中气动力的变化关系,合理解释多种气动力现象,也可以建立起更加符合实际情况的气动力作用激励模型,改善结构抗风计算的精度。

参考文献

[1]1FrancescoRicciardelli,HoriaHangan,Pressuredis2tributionandaerodynamicforcesonstationaryboxbridgesec2tions1WindandStructures,Vol14,No15,2001,399-412

图11　颤振发散风速下表面压力均值及相关性分布

[2]1LaroseG1L1,TanakaH1,GimsingN1J1,DyrbyeC1Directmeasurementsofbuffetingwindforcesonbridgedecks1JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics74-76,1998,809-818

[3]1LaroseG1L1GustLoadingonStreamlinedBridgeDecks1JournalofFluidsandStructures112,511-536,19981

图12　颤振发散风速下表面具有最大均值和相关性的测点升力与扭矩谱

图13　颤振发散时节段模型扭转运动时程与频谱函数

(上接第14页)

相结合的方式来分析合成梁式结点的受力状况是可行的,它

既可减少有限元建模的工作量,又可达到分析结点应力的目的。

(4)合成梁式结点的无伸缩缝桥梁,桥台的高度和长度值对结点的应力值影响很大,因此在满足设计承载力的情况下,桥台的高度和长度宜取小值。

(5)采用桩基础的无伸缩缝桥梁,在满足承载力的情况下,桩存在一个合适的相对刚度,当桩相对刚度超过这个值时,对合成梁式结点的受力几乎没影响。

参考文献

[1]无伸缩缝桥梁桥台与主梁的结点构造及受力性能研

图10　工况三:截面应力与桥台长度变化图

4　结论

(1)本文提出的合成梁式结点是一种受力性能介于整体

式和半整体式桥台桥梁之间的结点构造方式,可以在设计无伸缩缝桥梁时采用。

(2)采用合成梁方式的结点的桥台在施工时要注意施工顺序,以保证结点质量。

(3)采用全桥的空间梁格体系和桥台结点的块体有限元

究1陈朝慰1[硕士学位论文]1福州:福州大学土建学院,200315。

[2]Edward,P1Wasserman,andJohnH1Walker1IntegralAbutmentsforSteelBridges[M]1Tennessee:AmericanIronandSteelInstitute,19961

[3]结构设计原理(公路与城市道路、桥梁工程专业用)叶见曙1人民交通出版社,1997,4.[4]ANSYS基本过程手册。

[5]桥梁抗震范立础1上海:同济大学出版社,1997111

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/51s1.html