鋼棧橋樁頂梁截面ANSYS簡化對其力學(xué)性能的影響

謝曉鵬，王娟，竇國濤，李晗，高波

(1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 土木建筑學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001；3.江蘇省交通工程集團(tuán)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

0 引 言

鋼棧橋是一種為運(yùn)輸材料、設(shè)備、人員而修建的臨時橋梁設(shè)施，鋼棧橋上部通常采用桁架結(jié)構(gòu)，上部相同考慮下部，一般采用鋼管樁[1]。國內(nèi)外眾多學(xué)者[2-8]針對鋼棧橋的力學(xué)性能進(jìn)行了一系列研究。劉永鋒[9]采用通用有限元軟件ANSYS，根據(jù)工程特點(diǎn)及荷載情況，對既有結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定性驗(yàn)算，對組成棧橋的各構(gòu)件軸向剛度進(jìn)行參數(shù)分析，包括上下弦桿、豎腹桿、斜腹桿的軸向剛度改變對整體結(jié)構(gòu)性能的影響；尹棟佳等[10]通過某大橋臨時工程鋼棧橋的施工方案，詳細(xì)介紹了臨時鋼棧橋上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析過程。利用空間計算軟件ANSYS和MIDAS/Civil建立棧橋有限元分析模型，結(jié)合某大橋施工中擬投入的施工機(jī)械和車輛荷載，對棧橋上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載力驗(yàn)算和穩(wěn)定性分析。在棧橋分析驗(yàn)算過程中，總結(jié)一些具有實(shí)際工程意義的結(jié)論，提出一些關(guān)于鋼棧橋設(shè)計技術(shù)的建議。王海云等[11]以某選煤廠鋼結(jié)構(gòu)棧橋?yàn)槔?，分析鋼棧橋設(shè)計中遇到的問題，并利用大型通用有限元分析軟件ANSYS，對該棧橋進(jìn)行了靜力分析及校核，分析結(jié)果表明結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，且能滿足設(shè)計要求。

以上研究針對鋼棧橋進(jìn)行分析時，通常采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，然而鋼棧橋樁頂梁一般采用工字鋼截面形式，工字鋼翼緣截面為變截面形式，在ANSYS中建模復(fù)雜，本文將其簡化成矩形，然后進(jìn)行靜力和動力作用下的受力分析，并和原截面進(jìn)行對比。

1 工程背景

本文中鋼棧橋?yàn)樯轿髟梁幽蠞瞥馗咚俟伏S河大橋中混凝土結(jié)構(gòu)的施工臨時措施，在三門峽大壩和小浪底大壩的中部，位于小浪底庫區(qū)。棧橋總計1座，分為南、北兩岸，北岸長270 m，南岸長1 050 m。棧橋橋墩采用鋼管樁基礎(chǔ)，以40號墩鋼管樁為例(圖1)，樁長68 m，鋼管樁壁厚采用D1 000×10 mm進(jìn)行設(shè)計，縱橫向剪力撐均采用 D500×8 mm的鋼管進(jìn)行連接，樁頂順橋方向布置雙拼I45a工字鋼樁頂梁；樁頂梁中間橫橋向布置雙拼I50a工字鋼承重梁；承重梁上架設(shè)貝雷梁。雙拼I45a工字鋼和雙拼I50a工字鋼截面形狀如圖2所示，截面尺寸見表1。

圖1 鋼管樁現(xiàn)場照片

圖2 雙拼I45a和I50a工字鋼截面形狀

表1 雙拼I45a和I50a工字鋼截面尺寸

由于工字鋼截面形狀復(fù)雜，在ANSYS中自定義截面較為困難，本文將其簡化成H型鋼截面，截面尺寸見表2，截面形狀如圖3所示，分析在靜力荷載(自重荷載)和動荷載(風(fēng)荷載)作用下，兩者的受力區(qū)別，為后續(xù)類似工程提供參考。

表2 雙拼I45a和I50a簡化后截面尺寸

圖3 雙拼I45a和I50a簡化后截面形狀

2 ANSYS有限元建模

鋼管樁、剪力撐、樁頂梁和承重梁均采用beam188單元模擬，該單元是一個二節(jié)點(diǎn)的三維線性梁，適用于分析細(xì)長的梁，元素是基于Timoshenko梁理論的，具有扭切變形效果[12-14]。鋼管樁和剪力撐截面采用圓環(huán)截面，樁長68 m，鋼管樁尺寸為D1 000×10 mm，縱橫向剪力撐均尺寸為 D500×8 mm，和實(shí)際尺寸保持一致，彈性模量2.06×1011Pa，密度7 800 kg/m3，泊松比0.25，鋼管樁的入土深度25 m，對于此部分區(qū)域節(jié)點(diǎn)，施加全約束，如圖4所示。樁頂梁材料屬性和鋼管樁一致，截面采用以下2種工況，如表3所示，其有限元模型如圖4所示。

表3 工況設(shè)置

圖4 有限元模型

Fig.4 Finite element model

3 靜力作用分析

3.1 靜力荷載計算

如圖5所示，承重梁上邊架設(shè)貝雷梁，貝雷梁采用321型標(biāo)準(zhǔn)鋼桁梁拼裝，鋼桁梁每節(jié)長3 m，高1.5 m，構(gòu)件材料為16Mn，每片鋼桁梁質(zhì)量270 kg，全橋鋼桁梁設(shè)置12排，鋼桁梁橫向間距為(45×3+90×2+135+90×2+45×3)cm。貝雷梁上邊架設(shè)橫梁，分配梁采用I25a熱軋普通工字鋼，每根長9 m，橫梁下部與貝雷梁上弦桿采用抱箍固定，上部采用專用橋面板與橫梁采用抱箍固定，橫梁在縱橋向每隔75 cm布設(shè)1根，對應(yīng)貝雷梁的豎桿或斜桿交叉點(diǎn)處設(shè)置。

在計算靜力荷載時，僅計算主要構(gòu)件的重量，包括橋面板、橫梁、貝雷梁，忽略細(xì)部配件護(hù)欄的重量。

圖5 貝雷梁布置

首先計算單個橫梁傳遞給貝雷梁的集中荷載，將橋面板和橫梁均轉(zhuǎn)換成均布荷載，可利用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器[15]求解橫梁傳遞到桁架梁上的集中荷載，如圖6所示。

圖6 貝雷梁集中荷載計算

表4 貝雷梁集中荷載

將集中荷載疊加貝雷梁自重求出作用在樁頂梁上的集中荷載如表4所示。計算出集中荷載后加載于工況1樁頂梁和工況2樁頂梁上進(jìn)行求解計算。

3.2 靜力作用分析

將計算所得荷載加載于樁頂梁2上，進(jìn)行有限元計算，圖7為2種工況下位移云圖對比，分析圖7中數(shù)據(jù)可知，樁頂梁和鋼管樁位移云圖分布形狀一致，樁頂梁2跨中位置豎向位移最大，梁端部豎向位移最小，原截面工況下最大豎向位移是1.604 mm，經(jīng)簡化后截面工況下最大豎向位移是1.613 mm，相差僅0.56%。圖8為2種工況下米塞斯應(yīng)力云圖對比，分析圖8中數(shù)據(jù)可知，樁頂梁和鋼管樁應(yīng)力云圖分布形狀一致，樁頂梁2和樁頂梁1接觸處應(yīng)力最大，梁端部和腹板中部應(yīng)力最小，原截面工況下最大應(yīng)力為14.7 MPa，經(jīng)簡化后截面工況下最大應(yīng)力為14.8 MPa，相差僅0.68%；工況1計算結(jié)果文件所占內(nèi)存43 MB，工況2計算結(jié)果文件所占內(nèi)存26.5 MB，后者為前者的61.63%，由此可知，在上部結(jié)構(gòu)靜力荷載作用下，可用簡化截面代替原截面進(jìn)行靜力計算，且簡化后計算結(jié)果所占計算機(jī)內(nèi)存較少。

圖7 2種工況下結(jié)構(gòu)位移云圖對比

圖8 2種工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖對比

4 動力作用分析

本文利用風(fēng)荷載對2種截面進(jìn)行動力響應(yīng)分析。風(fēng)荷載利用MATLAB編程，采用諧波疊加法進(jìn)行擬合。

4.1 風(fēng)荷載基本理論

4.1.1風(fēng)速

從實(shí)測資料可知，風(fēng)速可認(rèn)為是長周期部分的平均風(fēng)和短周期的脈動風(fēng)疊加。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以將風(fēng)對結(jié)構(gòu)的作用看作是平均風(fēng)和脈動風(fēng)的疊加[15]，即

v(x，y，z，t)=UZ2(z)+V(x，y，z，t)，

(1)

平均風(fēng)速沿高度變化的規(guī)律可用指數(shù)函數(shù)式近似表示為

(2)

式中：UZ1為高度Z1處的風(fēng)速，m/s；UZ2為高度Z2處的風(fēng)速，m/s；a為考慮地表粗糙度影響的無量綱冪指數(shù)。

脈動風(fēng)可以由諧波疊加法求解。

4.1.2 諧波疊加法

諧波疊加法是基于三角級數(shù)求和的頻譜表示法，采用以離散譜逼近目標(biāo)隨機(jī)過程模型的一種離散化數(shù)值模擬方法[16]。

將脈動風(fēng)假定為一個一維、n變量、零均值的高斯隨機(jī)過程{f(t)}，其互譜密度矩陣為

(3)

對s0(w)進(jìn)行Choleskey分解，即

s0(w)=H(w)HT*(w)，

(4)

根據(jù)Shinozuka的理論，隨機(jī)過程{f(t)}的樣本可以由式(5)模擬：

cos(wmlt-θim(wml)+φml)，

(5)

4.1.3 自相關(guān)功率譜

《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》中采用了考慮風(fēng)速隨高度變化的Kaimal譜，其簡化形式可以表示為

(6)

(7)

sii(f)=Su(n)，

(8)

其中,sii(f)為自相關(guān)功率譜。

4.1.4 互相關(guān)功率譜

脈動風(fēng)的互相關(guān)功率譜為

(9)

ch(n)=e-λn|Z1-Z2|/UZ2，

(10)

式中：sii(f)為自相關(guān)功率譜;ch(f)為相關(guān)函數(shù);λ為空間相關(guān)系數(shù)。

4.2 風(fēng)荷載模擬

進(jìn)行模擬橫橋向風(fēng)荷載作用下2種截面的動力響應(yīng)差異，如圖9所示。作用于樁頂梁上的風(fēng)荷載主要由貝雷梁受風(fēng)引起，因此,主要計算貝雷梁風(fēng)荷載。貝雷梁距水面平均高度h=33.7 m，貝雷梁迎風(fēng)面積8.194 m2，該地區(qū)多年平均風(fēng)力4～6級，模擬時在此范圍選取基本風(fēng)速，本次模擬風(fēng)速10 m/s，脈動風(fēng)依據(jù)諧波疊加法基本原理，由MATLAB編程進(jìn)行合成，如圖10所示。

圖9 風(fēng)荷載作用圖示意

圖10 風(fēng)速時程曲線

4.3 結(jié)果分析

風(fēng)荷載加載時，由平均風(fēng)速與脈動風(fēng)速之和轉(zhuǎn)換成風(fēng)壓時程曲線，再乘以受風(fēng)面積轉(zhuǎn)換成集中力時程曲線，以集中力時程曲線加載于受風(fēng)貝雷梁和樁頂梁接觸位置，如圖9所示。2種工況經(jīng)模擬計算后提取樁頂梁節(jié)點(diǎn)143的速度和加速度時程曲線，如圖11所示。分析圖9中數(shù)據(jù)可知，工況1中節(jié)點(diǎn)143最大速度絕對值為2.590 3×10-3m/s，工況2中節(jié)點(diǎn)143最大速度絕對值為2.590 9×10-3m/s，兩者相差0.023%；工況1中節(jié)點(diǎn)143最大加速度絕對值為0.050 6 m/s2，工況2中節(jié)點(diǎn)143最大加速度絕對值為0.050 5 m/s2，兩者相差0.2%。工況1計算動力計算時長為1 278 s，工況2計算動力計算時長為735 s，后者為前者的57.51%，工況1計算結(jié)果文件所占內(nèi)存為9.57 GB，工況2計算結(jié)果文件所占內(nèi)存為6.22 GB，后者為前者的64.99%，因此，在風(fēng)荷載作用下，可用簡化截面代替原截面進(jìn)行動力響應(yīng)分析，簡化后計算時長更短，計算結(jié)果所占計算機(jī)內(nèi)存更少。

圖11 2種工況下節(jié)點(diǎn)143速度、加速度時程曲線對比

5 結(jié) 語

通常采用有限元軟件對鋼棧橋進(jìn)行受力分析時，鋼棧橋樁頂梁和實(shí)際截面一致，采用工字鋼截面形式，但該截面在有限元軟件中建模復(fù)雜，本文將該截面進(jìn)行簡化，將其翼緣簡化成矩形，然后進(jìn)行靜力和動力作用下的受力研究，并和原截面進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：在上部結(jié)構(gòu)靜力荷載作用下，可用簡化截面代替原截面進(jìn)行靜力計算；在風(fēng)荷載作用下，也可用簡化截面代替原截面進(jìn)行動力響應(yīng)分析；簡化后計算結(jié)果接近，但計算時長更短，計算結(jié)果所占計算機(jī)內(nèi)存更少，本文尚未研究車輛荷載作用下，兩者之間的受力性能差異，車輛荷載既可作為靜力加載，也可作為動力進(jìn)行加載，可作為后續(xù)研究的方向。