【摘 要】以某跨度為54 m的浮塢泵站鋼引橋?yàn)檠芯繉?duì)象,針對(duì)原方案應(yīng)力及位移超限的問(wèn)題,提出了整體加強(qiáng)和局部加強(qiáng)兩種優(yōu)化方案;并基于ANSYS精細(xì)化有限元模型計(jì)算了新方案下結(jié)構(gòu)變形與力學(xué)響應(yīng)。結(jié)果表明:局部加強(qiáng)方案可使結(jié)構(gòu)峰值應(yīng)力和位移分別降低26.4%和39.7%,而用鋼量增幅較小,兼具經(jīng)濟(jì)性與安全性,予以采用。方案優(yōu)化后該橋在運(yùn)營(yíng)工況下的應(yīng)力與位移均滿足要求,可為大跨浮塢泵站鋼引橋的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】浮塢泵站; 鋼引橋; 鋼結(jié)構(gòu); 應(yīng)力; 位移; 方案
【中圖分類號(hào)】U442.5+4【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A
0 引言
傳統(tǒng)固定泵站在施工過(guò)程中會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較大影響,成本會(huì)隨著水位落差變大而增大,且取水含沙量高。為克服傳統(tǒng)固定泵站建造及使用時(shí)存在的缺點(diǎn),一種能夠隨著水位漲落而上下浮動(dòng)的小型可移動(dòng)取水設(shè)施[1]—浮塢泵站逐漸發(fā)展起來(lái)。與固定泵站相比,浮塢泵站具有造價(jià)低、穩(wěn)定性高、建設(shè)周期短、管理方便、取水水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)[2],可作為固定式泵站的補(bǔ)充應(yīng)急措施,具有廣闊的應(yīng)用前景。浮塢泵站主要由躉船、水泵系統(tǒng)、搖臂、鋼引橋、供配電設(shè)備等構(gòu)件組成,其中鋼引橋作為躉船與陸域的連接設(shè)施,在實(shí)際工程中具有重要的作用:一方面鋼引橋通過(guò)裝有可拉、壓彈簧的球型支座與躉船相連接,可減輕躉船因風(fēng)、浪沖擊導(dǎo)致的離岸或攏岸移動(dòng);另一方面,鋼引橋與岸邊連接處高于最高洪水位,因此引橋也可充當(dāng)交通橋梁,方便工作人員自由進(jìn)出。
雖然鋼引橋因其受力性能好,施工簡(jiǎn)單的特點(diǎn),相比于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁引橋應(yīng)用更為廣泛[3],但是,大跨鋼引橋用材多,自重大,維護(hù)成本高,對(duì)泵船的穩(wěn)定性也存在一定的影響。為了提高泵船的穩(wěn)定性以及鋼引橋的經(jīng)濟(jì)性與安全性,需要對(duì)大跨鋼引橋的尺寸以及重量進(jìn)行優(yōu)化[4]。本文基于ANSYS通用有限元軟件,以某取水浮船54 m鋼結(jié)構(gòu)引橋?yàn)檠芯繉?duì)象,建立精細(xì)化鋼結(jié)構(gòu)引橋有限元計(jì)算模型。對(duì)原方案在運(yùn)營(yíng)荷載下應(yīng)力與位移超限的問(wèn)題分別提出了整體加強(qiáng)與局部加強(qiáng)兩個(gè)優(yōu)化方案,并對(duì)兩種優(yōu)化方案進(jìn)行對(duì)比分析,最后研究了最優(yōu)方案各構(gòu)件在自重和運(yùn)營(yíng)工況下應(yīng)力和位移分布規(guī)律。
1 工程概況(原方案)
重慶某浮塢泵站鋼結(jié)構(gòu)引橋總長(zhǎng)為54 m,結(jié)構(gòu)中部48 m區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)等高截面,其余兩側(cè)采用變截面形式。鋼結(jié)構(gòu)中部包含直徑為377 mm的圓形鋼管,圓鋼管中可運(yùn)輸水等液體,與其余鋼結(jié)構(gòu)共同承受荷載。鋼材等級(jí)均為Q235-A。鋼結(jié)構(gòu)引橋中部標(biāo)準(zhǔn)截面及端截面如圖1所示。中部標(biāo)準(zhǔn)截面寬862 mm,高1 212 mm,端截面寬496 mm,高706 mm,兩者具有相似性。頂板由厚10 mm和16 mm的鋼板組成,豎直側(cè)壁板厚度為10 mm,斜壁板厚度為12 mm,寬度較小的底板厚度為16 mm。鋼引橋中部標(biāo)準(zhǔn)截面段除端頭橫隔板間距為1.0 m外,中部其余區(qū)域橫隔板間距為2.0 m。鋼引橋每側(cè)變截面結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為3 m,變截面梁段橫隔板間距為0.5 m。該鋼引橋在兩側(cè)通過(guò)法蘭盤(pán)與其余結(jié)構(gòu)相連接,頂板上部安裝欄桿、鋼質(zhì)格柵、電纜槽等附屬結(jié)構(gòu),如圖2所示。
2 鋼引橋精細(xì)化有限元模型
采用大型通用有限元軟件ANSYS建立了鋼引橋精細(xì)化殼單元模型,模型包含頂板、底板、側(cè)壁板、T肋腹板、圓鋼管、橫隔板等所有鋼板構(gòu)件。鋼結(jié)構(gòu)采用4節(jié)點(diǎn)殼單元SHELL63進(jìn)行模擬,每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度。為消除邊界條件的影響,在54 m鋼結(jié)構(gòu)引橋兩側(cè)各延伸出0.5 m的結(jié)構(gòu),兩側(cè)的延伸結(jié)構(gòu)與端截面保持一致。對(duì)引橋模型進(jìn)行精細(xì)化網(wǎng)格劃分,單元尺寸設(shè)為30 mm,共劃分為462 257個(gè)單元,415 615個(gè)節(jié)點(diǎn)。鋼引橋精細(xì)化有限元模型見(jiàn)圖3。
在實(shí)際工程中,該鋼結(jié)構(gòu)引橋兩側(cè)均通過(guò)法蘭盤(pán)與其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接,剛度較大。與簡(jiǎn)支約束相比,固結(jié)約束更符合實(shí)際情況,且更為不利,故本文有限元模型將引橋兩端的邊界條件設(shè)為固結(jié),即約束兩側(cè)截面X、Y、Z三個(gè)方向的位移。
鋼材彈性模量取值為2.1×105 MPa,泊松比取為0.3,容重取為78 kN/m3。管道水重量通過(guò)節(jié)點(diǎn)荷載方式施加到圓鋼管中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)施加1.58 N,38 577個(gè)節(jié)點(diǎn)共計(jì)施加51.9 kN。除鋼管中水的重量及鋼結(jié)構(gòu)自重外,二期恒載及活載均按照3 kN/m2進(jìn)行計(jì)算,通過(guò)面荷載方式施加到鋼結(jié)構(gòu)引橋頂板上。由于該鋼引橋跨度較大,高跨比較小,本文分別分析了自重作用工況和運(yùn)營(yíng)工況(即橋梁實(shí)際工作時(shí)的最不利工況)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況。其中,運(yùn)營(yíng)工況荷載包含自重、橋面附屬設(shè)施、行人荷載以及水的質(zhì)量。
3 優(yōu)化方案
對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算后發(fā)現(xiàn),鋼引橋在運(yùn)營(yíng)工況下的最不利應(yīng)力已達(dá)到389.3 MPa,遠(yuǎn)大于容許應(yīng)力215 MPa,且超過(guò)屈服強(qiáng)度235 MPa;最大豎向位移達(dá)到227.3 mm,撓跨比僅為1/237,無(wú)法滿足運(yùn)營(yíng)要求。為對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,提出以下整體加強(qiáng)與局部加強(qiáng)兩個(gè)方案,并對(duì)比分析以確定最優(yōu)方案。
3.1 整體加強(qiáng)方案
由于原結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)工況下的應(yīng)力及撓度均較大,可采取加大截面面積和提高鋼材等級(jí)的方法來(lái)增大截面剛度。經(jīng)過(guò)試算,整體加強(qiáng)方案為將原截面幾何尺寸擴(kuò)大1.2倍(輸水管直徑不變),同時(shí)將鋼材能級(jí)提高到Q345。
3.2 局部加強(qiáng)方案
原方案計(jì)算結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)中部49 m范圍內(nèi)整體應(yīng)力較小,而結(jié)構(gòu)兩端應(yīng)力較大。為了能夠在優(yōu)化結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的同時(shí)提高方案的經(jīng)濟(jì)性,可保持結(jié)構(gòu)中部材料等級(jí)及截面幾何尺寸不變,采用設(shè)置構(gòu)造措施、增大變截面面積、提高材料等級(jí)等方式來(lái)對(duì)變截面段進(jìn)行局部加強(qiáng)。在兩側(cè)變截面位置增設(shè)豎向加勁肋可以達(dá)到提高截面剛度的目的,但變截面段的截面面積較小,板件之間不易連接。并且,標(biāo)準(zhǔn)截面和變截面之間增設(shè)加勁肋會(huì)造成交界面幾何不連續(xù),應(yīng)力集中明顯。因此,局部加強(qiáng)方案可通過(guò)將變截面幾何尺寸提高到原尺寸的1.2倍(輸水管直徑不變),并增大板件厚度的方式,從而達(dá)到增大變截面剛度但不影響幾何連續(xù)性的目的。
3.3 方案對(duì)比
計(jì)算整體加強(qiáng)方案(方案一)與局部加強(qiáng)方案(方案二)在運(yùn)營(yíng)工況下結(jié)構(gòu)響應(yīng),各方案最不利應(yīng)力與變形值對(duì)比如表1所示。方案一最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)兩端,為307.4 MPa,而結(jié)構(gòu)中部應(yīng)力不大;最大撓度為181.2 mm,撓跨比為1/300。由計(jì)算結(jié)果可知,方案一的截面最不利應(yīng)力雖低于Q345鋼材屈服強(qiáng)度,但最不利應(yīng)力和最大豎向位移相比原結(jié)構(gòu)均僅減少了20%左右,而結(jié)構(gòu)自重卻為原設(shè)計(jì)方案的1.728倍,優(yōu)化效果并不明顯。而方案二結(jié)構(gòu)最不利應(yīng)力和最大豎向變形都明顯減小,而鋼材增幅較小。綜合上述分析,方案一和方案二均理論上可行,但方案二優(yōu)化效率更高,因此決定采用后者。該方案結(jié)構(gòu)末端截面尺寸及板厚如圖4所示。
4 推薦方案結(jié)果分析
4.1 應(yīng)力結(jié)果
為進(jìn)一步分析局部加強(qiáng)方案的優(yōu)化效果,計(jì)算得到方案二各構(gòu)件在自重作用下和運(yùn)營(yíng)工況下的最不利應(yīng)力值,如表2所示。
4.1.1 頂板
頂板包含T肋翼緣,跨中標(biāo)準(zhǔn)截面頂板厚16 mm,兩側(cè)變截面頂板厚24 mm。頂板在自重工況下縱橋向最大壓應(yīng)力為120.2 MPa,最大拉應(yīng)力為48.3 MPa,在運(yùn)營(yíng)工況下縱橋
向最大壓應(yīng)力為225.1 MPa,最大拉應(yīng)力為91.2 MPa,較自重工況下增加了90%左右。由于運(yùn)營(yíng)工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力遠(yuǎn)大于自重工況,下文重點(diǎn)分析運(yùn)營(yíng)工況下結(jié)構(gòu)的受力情況。運(yùn)營(yíng)工況下頂板第一主應(yīng)力范圍為0~226.5 MPa,第三主應(yīng)力范圍為-91.2~0.1 MPa,最大Mises應(yīng)力達(dá)248.8 MPa,略大于容許應(yīng)力值。結(jié)果表明,在運(yùn)營(yíng)工況下,頂板以受縱向應(yīng)力為主,其中,變截面段以受拉為主,最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)兩側(cè)與法蘭盤(pán)連接部位;結(jié)構(gòu)中部48 m范圍內(nèi)以受壓為主,最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在跨中,均小于容許應(yīng)力值。
4.1.2 底板
底板為倒T肋翼緣,跨中標(biāo)準(zhǔn)截面翼緣厚16 mm,兩側(cè)變截面翼緣厚28mm。底板在運(yùn)營(yíng)工況下縱橋向最大壓應(yīng)力為116.1 MPa,最大拉應(yīng)力為114.1 MPa;第一主應(yīng)力范圍為0~116.1 MPa,第三主應(yīng)力范圍為-114.1~0 MPa,最大Mises應(yīng)力達(dá)114.7 MPa。結(jié)果表明,底板以受縱向應(yīng)力為主,整體受力較小,結(jié)構(gòu)中部大部分區(qū)域以受拉為主,最大拉應(yīng)力發(fā)生在跨中;結(jié)構(gòu)兩端變截面段以受壓為主,最大壓應(yīng)力發(fā)生在結(jié)構(gòu)兩側(cè)與法蘭盤(pán)連接部位,均小于容許應(yīng)力值。
4.1.3 側(cè)壁板
側(cè)壁板包含兩側(cè)上部的豎向壁板和下部的斜壁板,側(cè)壁板厚度為28 mm。側(cè)壁板在運(yùn)營(yíng)作用下縱橋向最大壓應(yīng)力為224.2 MPa,最大拉應(yīng)力為283.4 MPa;第一主應(yīng)力范圍為-0.1~224.8 MPa,第三主應(yīng)力范圍為-285.3~0.1 MPa,最大Mises應(yīng)力達(dá)286.4 MPa,大于容許應(yīng)力;最大豎向剪應(yīng)力僅為22.7 MPa,發(fā)生在結(jié)構(gòu)端部。結(jié)果表明,側(cè)壁板以受縱向應(yīng)力為主,大部分區(qū)域應(yīng)力較小,但在鋼結(jié)構(gòu)與法蘭盤(pán)連接部位存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)此處,最大拉應(yīng)力已超過(guò)鋼材容許應(yīng)力,但仍小于屈服強(qiáng)度,可認(rèn)為滿足要求。
4.1.4 T肋腹板
T肋腹板包含圓鋼管左右兩側(cè)和上下側(cè)共4條T肋的腹板,其中,水平T肋腹板厚度為16 mm,豎向T肋腹板厚度為28 mm。T肋腹板在運(yùn)營(yíng)工況下縱橋向最大壓應(yīng)力為229 MPa,最大拉應(yīng)力為184.2 MPa;第一主應(yīng)力介于0~184.2 MPa之間,第三主應(yīng)力介于-229.1~0 MPa之間,最大Mises應(yīng)力達(dá)217.7 MPa,最大豎向剪應(yīng)力僅為13.5 MPa,發(fā)生在結(jié)構(gòu)端部。結(jié)果表明,T肋腹板以受縱向應(yīng)力為主,最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在與法蘭盤(pán)連接部位,均小于容許應(yīng)力。
4.1.5 圓鋼管
圓鋼管外直徑為377 mm,壁厚12 mm。圓鋼管在運(yùn)營(yíng)工況下縱橋向最大壓應(yīng)力為100.8 MPa,最大拉應(yīng)力為109.7 MPa,均出現(xiàn)在法蘭盤(pán)連接部位;第一主應(yīng)力介于-0.2 MPa~111.2 MPa之間,第三主應(yīng)力介于-101.5 MPa~0.2 MPa之間,最大Mises應(yīng)力達(dá)103.5 MPa,最大豎向剪應(yīng)力僅為20.1 MPa。結(jié)果表明,鋼管由于受到水的均布荷載作用,整體受力較為均勻,應(yīng)力均小于容許應(yīng)力。
4.1.6 橫隔板
上部橫隔板厚度為8 mm,下部橫隔板厚度為12 mm。橫隔板在運(yùn)營(yíng)工況作用下第一主應(yīng)力范圍為0~39.2 MPa,第三主應(yīng)力范圍為-57.1~0 MPa,最大Mises應(yīng)力達(dá)52.9 MPa。結(jié)果表明,橫隔板整體應(yīng)力水平較小,最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在兩側(cè)變截面區(qū)段,但均小于容許應(yīng)力。
計(jì)算結(jié)果表明,采用局部加強(qiáng)方案后結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)工況下最不利應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)壁板兩端,達(dá)286.4 MPa。與原方案相比,峰值應(yīng)力降低了約26.4%。側(cè)壁板和頂板最大Mises應(yīng)力雖略高于Q345鋼材容許應(yīng)力275 MPa,但遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度。各構(gòu)件的最不利應(yīng)力均位于法蘭盤(pán)連接附近,但實(shí)際結(jié)構(gòu)需要在法蘭盤(pán)周圍設(shè)置局部加強(qiáng)措施,因此應(yīng)力峰值會(huì)進(jìn)一步降低。綜上,局部加強(qiáng)方案優(yōu)化后結(jié)構(gòu)應(yīng)力滿足要求。
4.2 變形結(jié)果
根據(jù)方案二計(jì)算得到鋼結(jié)構(gòu)在自重作用和運(yùn)營(yíng)工況下的最不利變形值,如表3所示。運(yùn)營(yíng)工況下結(jié)構(gòu)豎向變形和縱橋向變形情況見(jiàn)圖5。在運(yùn)營(yíng)工況下,結(jié)構(gòu)最大豎向撓度為137.1 mm,撓跨比為1/394;縱橋向最大變形為4.9 mm。自重作用和運(yùn)營(yíng)工況下結(jié)構(gòu)變形形狀相似,最大豎向位移均發(fā)生在跨中處,最大縱向位移則發(fā)生在距離結(jié)構(gòu)兩端6m處。與原方案相比,運(yùn)營(yíng)工況下結(jié)構(gòu)跨中豎向位移降低了40%左右,優(yōu)化效果顯著;但撓跨比較大,接近1/400,可以通過(guò)設(shè)置預(yù)拱度的方式以進(jìn)一步降低撓跨比。
5 結(jié)論及建議
(1)對(duì)該鋼引橋提出了2種優(yōu)化方案,經(jīng)充分對(duì)比分析后,選用兼具安全性與經(jīng)濟(jì)性的局部加強(qiáng)方案對(duì)原方案進(jìn)行優(yōu)化。
(2)局部加強(qiáng)方案為將變截面段幾何尺寸擴(kuò)大1.2倍,并將其材料等級(jí)提升為Q345,結(jié)構(gòu)中跨標(biāo)準(zhǔn)段截面和板厚參數(shù)與原設(shè)計(jì)保持一致。方案優(yōu)化后,鋼結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)工況下最大應(yīng)力為286.4 MPa,跨中最大豎向撓度為137.1 mm。與原方案相比,結(jié)構(gòu)峰值應(yīng)力和最大豎向位移分別降低了26.4%和39.7%,而用鋼量增幅較小,優(yōu)化效果較好。
(3)無(wú)論選用哪種方案,結(jié)構(gòu)兩側(cè)法蘭盤(pán)連接區(qū)域拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均較大。故實(shí)際工程中需要在結(jié)構(gòu)與法蘭盤(pán)連接區(qū)域采取進(jìn)一步局部加強(qiáng)措施,加強(qiáng)區(qū)域建議大于2.0 m。
(4)由于跨度較大,結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的變形效應(yīng)較為明顯,超過(guò)運(yùn)營(yíng)工況下結(jié)構(gòu)變形的50%。結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)工況下的撓跨比也較大,接近1/400,可通過(guò)設(shè)置預(yù)拱度以抵消部分豎向變形。
(5)由于該橋跨度較大,需關(guān)注結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性,防止局部失穩(wěn)。
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[作者簡(jiǎn)介]陳萱穎(1997—),女,碩士,從事橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論研究工作。