欄桿對鋼引橋受力的影響

唐藝航，黃曄卉

（中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200120）

關(guān)鍵字：鋼引橋；有限元

引 言

在港口工程中，關(guān)于鋼引橋的使用已經(jīng)相當(dāng)廣泛[1]。欄桿作為其附屬結(jié)構(gòu)，設(shè)置在行車道板上，用以封閉沿線兩側(cè)，防止車輛以及行人越出橋外。

在鋼引橋結(jié)構(gòu)設(shè)計中，一般不考慮欄桿對該結(jié)構(gòu)受力的影響，只是將欄桿當(dāng)成外部荷載與其它荷載一同施加在結(jié)構(gòu)上。但大量研究表明，欄桿對橋梁結(jié)構(gòu)受力有一定影響[2-4]。若不考慮欄桿的作用，其計算結(jié)果不完全符合鋼引橋結(jié)構(gòu)的實際受力情況，計算結(jié)果過于保守。關(guān)于欄桿對鋼引橋結(jié)構(gòu)受力的影響，目前還沒有相關(guān)研究成果。

基于以上情況，本文以某工程鋼引橋為研究對象，利用通用有限元軟件 ABAQUS分別建立考慮欄桿作用和未考慮欄桿作用的實體有限元模型。在相同設(shè)計荷載工況作用下，對比分析欄桿對鋼引橋結(jié)構(gòu)的剛度，應(yīng)力以及模態(tài)的影響，并為以后該類結(jié)構(gòu)的設(shè)計及結(jié)構(gòu)檢測提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)型式

本文的研究對象為某工程鋼引橋。該鋼引橋結(jié)構(gòu)由縱橫梁格、橋面板及錨栓拉桿組成。

該結(jié)構(gòu)跨度為12.8 m，其中計算跨度為12.5 m，橫向?qū)挾葹?.5 m。主梁采用拼接工字鋼，主梁中心距為1.25 m，其受力為簡支受力體系。該結(jié)構(gòu)的平、立面，跨中斷面以及支座處斷面見圖1～圖3。各結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用的截面形式如表1所示。

圖1 鋼引橋立面示意

圖2 鋼引橋平面示意

圖3 鋼引橋典型斷面

表1 鋼引橋構(gòu)件截面形式

1.2 欄桿構(gòu)造

本工程鋼引橋采用鋼管防護(hù)欄桿，欄桿橫豎向規(guī)則布置，鋼管材料為 Q345，直徑為 60 mm，厚度為3.5 mm，豎向鋼管水平間距為1.25 m，橫向鋼管豎向間距 0.3 m。欄桿節(jié)點采用角焊縫連接，坡腳尺寸為6 mm。欄桿與鋼引橋采用角焊縫連接，坡腳尺寸為8 mm。

1.3 荷載條件

鋼引橋主要承受的荷載有：本身自重以及人群荷載，其中人群荷載取3 kPa。

2 有限元建模過程

2.1 有限元介紹

有限元法是一種高效能、常用的數(shù)值計算方法，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛運(yùn)用于結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬。有限元模型按照其單元類型可分梁單元模型，實體單元模型，板殼單元模型等。

實體單元可以通過其任意表面與其他單元連接，故該模型幾乎可以模擬任何結(jié)構(gòu)形式。通常認(rèn)為，當(dāng)單元劃分足夠精細(xì)，并且單元無明顯畸變時，其計算結(jié)果較貼合實際情況，即在一定程度上其計算結(jié)果可認(rèn)為是精確解。

2.2 有限元建模

根據(jù)上述已有參數(shù)，主梁、橫梁及縱梁采用Q345鋼，材料的彈性模量取2.06×105MPa，泊松比為0.3，容重為76.93 kN/m3。利用通用有限元軟件ABAQUS分別建立考慮欄桿作用和未考慮欄桿作用的實體單元模型。結(jié)構(gòu)離散模型見圖4。

圖4 鋼引橋?qū)嶓w單元有限元模型

在單元選擇方面，鋼引橋結(jié)構(gòu)主體采用ABAQUS中提供的C3D8R單元，即八結(jié)點線性六面體單元，該單元可以以較小的費(fèi)用得到較好的結(jié)果。欄桿結(jié)構(gòu)由于節(jié)點處結(jié)構(gòu)不規(guī)則，故采用ABAQUS中提供的C3D10單元，即十結(jié)點二次四面體單元，該單元能有效模擬節(jié)點處受力情況。本文采用ABAQUS中提供的綁定約束方法來模擬欄桿節(jié)點及欄桿與鋼引橋連接處焊縫連接。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 撓度結(jié)果對比

1）荷載工況

本文撓度分析時荷載組合采用標(biāo)準(zhǔn)組合，即1.0自重+1.0人群。

2）對比點布置

在鋼引橋結(jié)構(gòu)設(shè)計時，主要通過保證主梁下緣豎向撓度值小于設(shè)計要求以此來保證結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求，故本文只分析欄桿對主梁下緣撓度的影響。

為了更全面的了解欄桿對鋼引橋主梁撓度的影響，本文在主梁下翼緣上設(shè)置了11個對比點，對比點的具體位置和編號如圖5所示。

圖5 主梁對比點布置

將荷載工況下?lián)隙戎涤嬎憬Y(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果見圖6，具體數(shù)據(jù)見表2。由表2可看出，考慮欄桿參與受力后各對比點撓度值可減小30 %以上。由此可知，考慮欄桿參與受力后對結(jié)構(gòu)的豎向剛度有較大的影響，其作用不可忽略。

圖6 設(shè)計工況下?lián)隙葘Ρ?/p>

表2 撓度對比結(jié)果

3.2 應(yīng)力結(jié)果對比

本文鋼引橋結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件為主梁以及橫梁，縱梁只是起到增強(qiáng)橫梁間的連接，提高鋼引橋的整體性的作用。故本文主要分析欄桿引起的主梁和橫梁的內(nèi)力變化情況。

在進(jìn)行應(yīng)力結(jié)果對比分析時，荷載工況采用基本組合，即1.2自重+1.4人群。本文中的應(yīng)力值均為Mises應(yīng)力。

1）主梁應(yīng)力分析

為了全面了解欄桿對結(jié)構(gòu)主梁應(yīng)力的影響，本文分別對比11個對比點處上下翼緣所受的應(yīng)力。對比點的具體位置如圖7所示。

圖7 對比點位置

將設(shè)計荷載工況下應(yīng)力計算結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果見圖8，具體數(shù)據(jù)見表3～表4。

圖8 設(shè)計工況下應(yīng)力對比

表3 下翼緣應(yīng)力對比

表4 上翼緣應(yīng)力對比

從表3可知，考慮欄桿作用后，各位置處主梁的下翼緣應(yīng)力值都有所減小。其中5號點位置即跨中位置處應(yīng)力值降幅最大，為26.21 %。1號點位置應(yīng)力值即支座位置處降幅最小，為 21.49 %。從表中還可以看出，越接近跨中位置，欄桿對應(yīng)力值影響越大。

從表4可知，同下翼緣受力情況類似，考慮欄桿作用后，各位置處應(yīng)力值都有所減小。其中5號點位置即跨中位置處應(yīng)力值降幅最大，為38.63 %。1號點位置即支座位置處降幅最小應(yīng)力值降幅最小，為30.51 %。且越接近跨中位置，應(yīng)力值減小程度越大。對比分析表3、表4可以考慮欄桿作用后，與下翼緣相比，上翼緣應(yīng)力值減小程度更顯著。

2）橫梁應(yīng)力分析

由于橫梁個數(shù)較多，且受力情況類似，故本文著重對比分析設(shè)計荷載工況下受力最大的橫梁（受力最大指應(yīng)力最大）。通過計算發(fā)現(xiàn)，支座處的橫梁為受力最大的橫梁。故對比分析該橫梁的應(yīng)力。

為了全面了解欄桿對結(jié)構(gòu)橫梁應(yīng)力的影響，本文在橫梁設(shè)置了5個對比點，分別對比該點些上下翼緣所受的應(yīng)力。對比點的具體位置和編號如圖9所示。

圖9 橫梁對比點布置

將設(shè)計荷載工況下應(yīng)力計算結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果見圖10，具體數(shù)據(jù)見表5～表6。

圖10 設(shè)計工況下橫梁應(yīng)力對比

表5 下翼緣應(yīng)力對比

表6 上翼緣應(yīng)力對比

從表5可知，考慮欄桿作用后，各位置處橫梁的下翼緣應(yīng)力值都有所減小。其中1和5號點位置即節(jié)點位置處應(yīng)力值降幅最大，為36.36 %。3號點位置即跨中位置處應(yīng)力值降幅最小，為34.54 %。同時可以看出，越接近節(jié)點位置，欄桿對應(yīng)力值影響越大。

從表6可知，考慮欄桿作用后，各位置處應(yīng)力值都有所減小。其中1和5號點即節(jié)點位置處應(yīng)力值降幅最大，為36.67 %。3號點即跨中位置處應(yīng)力值降幅最小，為30.42 %。與下翼緣情況類似，越接近節(jié)點位置，欄桿對應(yīng)力值影響越大。

3.3 特征值分析

結(jié)構(gòu)自振周期只與自身質(zhì)量以及結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)。當(dāng)質(zhì)量一定時，自振周期可以反映結(jié)構(gòu)剛度大小。故可采用計算自振周期的方式研究欄桿對結(jié)構(gòu)橫向剛度及抗扭剛度的影響。

本文通過通用有限元程序軟件 ABAQUS計算得到鋼引橋前4階固有振型以及其結(jié)構(gòu)的自振周期，周期結(jié)果對比見表7。

表7 特征值周期結(jié)果對比

從表7可知，考慮欄桿作用后對結(jié)構(gòu)振型影響不大。在自振周期方面，除二階模態(tài)所對應(yīng)的周期相差較大，誤差達(dá)到15 %以外，其余周期均在4 %以內(nèi)。說明了欄桿對結(jié)構(gòu)豎向剛度影響較大，但對結(jié)構(gòu)的橫向剛度及抗扭剛度影響較小。

4 結(jié) 語

通過通用有限元軟件 ABAQUS分別建立考慮欄桿作用和未考慮欄桿作用的實體有限元模型，在相同設(shè)計荷載工況作用下，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，得到以下結(jié)論：

1）考慮欄桿作用后，在相同荷載作用下結(jié)構(gòu)主梁撓度有明顯減小，說明欄桿對結(jié)構(gòu)的豎向剛度有較大的影響，其作用不可忽略。

2）考慮欄桿作用后，主梁的上下翼緣應(yīng)力值均有所減小，減小幅度在30 %以上，且越接近跨中位置，應(yīng)力值減小程度越大。較下翼緣相比，上翼緣應(yīng)力值減小程度更顯著。

3）考慮欄桿作用后，橫梁的上下翼緣應(yīng)力值均有所減小，減小幅度達(dá)到30 %以上，且越接近節(jié)點位置，欄桿對應(yīng)力值影響越大。

4）欄桿對結(jié)構(gòu)振型影響不大。在自振周期方面，除了二階模態(tài)所對應(yīng)的周期相差較大，誤差達(dá)到15 %，其余周期均在4 %以內(nèi)。說明欄桿主要影響結(jié)構(gòu)的豎向剛度，但對結(jié)構(gòu)的橫向剛度及抗扭剛度影響較小。

5）在結(jié)構(gòu)設(shè)計不考慮欄桿的作用，其計算結(jié)果較保守，偏于安全。但在結(jié)構(gòu)檢測時若不考慮欄桿的影響，其結(jié)果偏于不安全，故在檢測時，應(yīng)結(jié)合欄桿實際結(jié)構(gòu)形式及布置情況，考慮欄桿對結(jié)構(gòu)受力的影響。