邊拱起吊吊耳局部受力有限元分析

張牧龍 張艷君

(1.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000； 2.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司南昌供電分公司，江西 南昌 330000)

0 引言

隨著鋼箱拱橋建設(shè)規(guī)模的不斷增大，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)和施工問(wèn)題在鋼箱拱橋的吊裝過(guò)程中遇到。邊拱起吊吊耳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響鋼箱拱肋在吊裝施工過(guò)程中的可靠性和安全性，但是邊拱起吊吊耳作為局部受力構(gòu)件，其受力狀態(tài)復(fù)雜，吊耳板孔在銷(xiāo)軸擠壓作用下或吊耳與鋼箱梁表面焊接強(qiáng)度不足均易導(dǎo)致吊耳失效[1-3]。

目前吊耳強(qiáng)度的計(jì)算主要采用理論方法加經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)算的方法。主要包括：吊耳各危險(xiǎn)截面強(qiáng)度校核、吊耳孔與插銷(xiāo)擠壓強(qiáng)度和焊縫強(qiáng)度校核三方面。例如，劉玉貴等[4]借助ABAQUS軟件對(duì)吊耳結(jié)構(gòu)的接觸強(qiáng)度進(jìn)行研究，依據(jù)鋼箱梁外形特點(diǎn)及受力情況，提出了吊耳相應(yīng)的改進(jìn)措施。雖然有限元分析計(jì)算技術(shù)在吊耳強(qiáng)度計(jì)算中得到了一定的應(yīng)用，但是很少有學(xué)者采用Midas Fea有限元分析軟件去分析邊拱起吊吊耳在均布荷載作用下的變形受力規(guī)律。

1 工程概況

項(xiàng)目位于淮南市壽縣，橋梁線路呈東向西走向，是新橋國(guó)際產(chǎn)業(yè)園西向的出城口道路。新橋大橋全長(zhǎng)726 m，橋跨布置為：3.0 m(橋臺(tái))+300 m(預(yù)制箱梁)+150 m(斜跨拱)+270 m(預(yù)制箱梁)+3.0 m(橋臺(tái))，其中主橋跨越規(guī)劃江淮運(yùn)河河道。主橋?yàn)樾笨玟撓涔皹颍髁嚎鐝綖?50 m，鋼箱拱跨徑為170 m，矢跨比為0.381 9，主拱軸線與橋梁縱向水平面夾角為25°，主梁法線方向與規(guī)劃江淮運(yùn)河中心線夾角為18.69°，通航孔及規(guī)劃江淮運(yùn)河河道由主橋一跨跨越。

為了更加詳細(xì)了解大橋邊拱局部構(gòu)造的位移和應(yīng)力分布情況，對(duì)邊拱起吊吊耳、中拱起吊吊耳和拱腳處構(gòu)造進(jìn)行詳細(xì)的受力有限元分析。邊拱起吊吊耳鋼材為Q345qD，板厚20 mm，吊耳孔內(nèi)半徑50 mm，外半徑為140 mm，吊耳孔兩側(cè)焊接矩形鋼板進(jìn)行加強(qiáng)，矩形鋼板厚度20 mm，高度240 mm，長(zhǎng)度500 mm，鋼板水平間距340 mm，拱肋頂板與臨時(shí)板式吊耳連接采用雙面坡口全熔透焊接。邊拱起吊吊耳與拱肋連接處構(gòu)造的正視圖和側(cè)視圖如圖1所示。

2 三維有限元模型建立

為了減少邊拱起吊吊耳與拱肋連接處受力狀態(tài)分析問(wèn)題的建模難度，本文對(duì)邊拱起吊吊耳與拱肋連接處有限元分析模型作出了如下計(jì)算假定：

1)假設(shè)模型不考慮構(gòu)件連接處焊縫對(duì)邊拱起吊吊耳的受力影響；

2)假設(shè)模型采用的材料為均勻、連續(xù)、彈性和各向同性的介質(zhì)；

3)假設(shè)模型不考慮邊拱起吊吊耳與拱肋的相對(duì)滑動(dòng)；

為了很好地消除邊界效應(yīng)對(duì)研究對(duì)象的影響及滿足圣維南原理的要求，本文模型的邊界范圍：拱肋沿著拱軸線的長(zhǎng)度為10 m，寬度為5 m，高度為0.03 m。模型中邊拱起吊吊耳、鋼板與拱肋的材料采用Q345qD鋼材，彈性模量為206 000 MPa，泊松比取0.3，重度78.5，線膨脹系數(shù)為0.000 012。模型網(wǎng)格類(lèi)型采用六面體單元，網(wǎng)格劃分尺寸為0.01 m。網(wǎng)格劃分后共有30 107個(gè)節(jié)點(diǎn)，22 841個(gè)單元，網(wǎng)格劃分后的效果如圖2所示。

為了模擬拱肋與吊耳的相互作用，本模型在拱肋底部采用了約束X向、Y向、Z向位移的固定邊界。本工程在實(shí)際施工中是將銷(xiāo)軸插入吊耳孔，然后再通過(guò)提升銷(xiāo)軸使邊拱達(dá)到預(yù)定的位置，所以模型中的荷載主要考慮邊拱起吊吊耳孔上半周的均布面壓力荷載，提升力大小為3 077 kN。

3 模型計(jì)算結(jié)果分析

3.1 模型位移分析

以邊拱起吊吊耳模型的位移為研究對(duì)象。分別給出了邊拱起吊吊耳的總位移和邊拱起吊吊耳孔豎向節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位移圖。

從圖3可以看出，邊拱起吊吊耳總位移最大值為1.037 mm，位于邊拱起吊吊耳孔后側(cè)面正上方2108號(hào)節(jié)點(diǎn)處；計(jì)算得到邊拱起吊吊耳水平位移最大值為0.064 mm，位于邊拱起吊吊耳左側(cè)鋼板1834號(hào)節(jié)點(diǎn)處；邊拱起吊吊耳軸向位移最大值為0.231 mm，位于邊拱起吊吊耳孔后側(cè)面左側(cè)2108號(hào)節(jié)點(diǎn)處；邊拱起吊吊耳豎向位移最大值為1.037 mm，位于邊拱起吊吊耳孔后側(cè)面正上方2108號(hào)節(jié)點(diǎn)處。因此，邊拱起吊吊耳在壓力荷載作用下產(chǎn)生的主要位移為豎向位移，邊拱起吊吊耳變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注豎向位移的變化。

3.2 模型應(yīng)力分析

為了研究模型中邊拱起吊吊耳模型應(yīng)力的分布規(guī)律，以邊拱起吊吊耳模型的位移為研究對(duì)象。圖4分別給出了邊拱起吊吊耳Von Mises等效應(yīng)力、最大剪應(yīng)力的分布云圖。

可以看出，邊拱起吊吊耳Von Mises等效應(yīng)力的主要分布區(qū)間為0 MPa～105.644 MPa，其最大值為169.03 MPa，位于邊拱起吊吊耳孔前側(cè)面左側(cè)1506號(hào)單元處；邊拱起吊吊耳最大剪應(yīng)力的主要分布區(qū)間為0 MPa～60.985 MPa，其最大值為97.575 MPa，位于邊拱起吊吊耳孔前側(cè)面左側(cè)1506號(hào)單元處。邊拱起吊吊耳的等效應(yīng)力未超過(guò)Q345qD的抗拉和抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值250 MPa，其最大剪應(yīng)力也未超過(guò)Q345qD的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值145 MPa，不需要再采取加固補(bǔ)強(qiáng)的構(gòu)造措施，邊拱起吊吊耳與拱肋連接處構(gòu)造設(shè)計(jì)能滿足強(qiáng)度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

基于新橋大橋的工程背景和中拱起吊吊耳的局部構(gòu)造設(shè)計(jì)，本章采用Midas Fea有限元軟件，建立了邊拱起吊吊耳局部受力有限元分析模型，得到了位移和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，通過(guò)對(duì)邊拱起吊吊耳模型位移和應(yīng)力結(jié)果的分析表明：

1)邊拱起吊吊耳模型在面壓力荷載作用下產(chǎn)生的主要位移為豎向位移，邊拱起吊吊耳變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注豎向位移的變化。

2)邊拱起吊吊耳模型的等效應(yīng)力和最大剪應(yīng)力均未超過(guò)Q345qD鋼材的抗拉和抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，該吊耳不需要再采取加固補(bǔ)強(qiáng)的構(gòu)造措施，邊拱起吊吊耳與拱肋連接處構(gòu)造設(shè)計(jì)能滿足工程安全所需要的強(qiáng)度要求。