鋼桁梁棧橋節(jié)點(diǎn)連接處理及有限元分析

鄒 寧

(中鐵十四局集團(tuán)第二工程有限公司,山東 泰安 271000)

鋼桁梁結(jié)構(gòu)輕、跨越能力強(qiáng),被廣泛應(yīng)用于鐵路橋梁中。施工中各構(gòu)件連接時(shí)多采用螺栓連接或焊接,當(dāng)前流行的各類結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件可以快速建立各種橋型,各種單元屬性(如桿件截面、材質(zhì))、荷載(如自重、風(fēng)荷載、施工荷載、行車荷載等)均能較真實(shí)地進(jìn)行模擬,但模型中各類邊界條件(如與支座剛接、鉸接)、節(jié)點(diǎn)連接(如桿件間彈性連接、剛性連接、端部約束釋放比例等)的處理往往比較復(fù)雜,如處理不好,運(yùn)行結(jié)果會(huì)與實(shí)際情況大相徑庭,造成一定的安全隱患,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)事故。針對(duì)節(jié)點(diǎn)連接的處理,多位科技工作者對(duì)此進(jìn)行了研究:陶友海[1]介紹了Midas/Civil軟件準(zhǔn)確模擬受力進(jìn)行現(xiàn)澆支架計(jì)算的過程,包括邊界條件設(shè)定、荷載處理和結(jié)構(gòu)分組辦法等;陳麗英[2]通過Midas/Civil程序,對(duì)連續(xù)梁三角形掛籃結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間建模分析計(jì)算,模擬了各工況下各桿件的應(yīng)力,準(zhǔn)確確定了整體變形情況,降低了計(jì)算難度,增強(qiáng)了計(jì)算分析的系統(tǒng)性和準(zhǔn)確性;劉燕[3]等通過ABAQUS有限元軟件建立了節(jié)點(diǎn)精細(xì)化有限元模型,進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)在拉力作用下的靜力性能分析,提出了節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的建議取值;王禹[4]分析了Midas Gen在框架節(jié)點(diǎn)剛域方面的技術(shù)細(xì)節(jié),并通過實(shí)際的算例比較分析考慮剛域與削峰處理對(duì)節(jié)點(diǎn)內(nèi)力值選取的影響,為地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中合理選取內(nèi)力值提供借鑒。本文結(jié)合工程實(shí)例介紹了鋼桁梁棧橋節(jié)點(diǎn)連接的處理,并通過實(shí)測(cè)驗(yàn)證了連接處理的科學(xué)性。

1 工程案例

新長(zhǎng)鐵路通揚(yáng)運(yùn)河大橋位于南通市,中間為1-48 m鋼桁梁,兩側(cè)各為1-32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁,目前該橋已廢棄,坐落位置如圖1所示。鋼桁梁計(jì)算跨度48 m,共6個(gè)節(jié)間,桁高11 m?，F(xiàn)擬將其作為便橋使用,供罐車通過,須進(jìn)行受力計(jì)算以驗(yàn)證其通過能力及安全性。鋼桁梁縱向設(shè)計(jì)有2片主梁,間距2.0 m,其上為軌枕,現(xiàn)軌枕部分已拆除(橋梁現(xiàn)狀如圖2所示)。

圖1 通揚(yáng)運(yùn)河大橋位置圖2 梁頂面現(xiàn)狀

為滿足罐車通過要求,在縱向主梁外側(cè)各增加3片I20補(bǔ)強(qiáng)縱梁,頂部與原縱梁平齊;縱梁上橫向鋪設(shè)分配梁,分配梁與縱梁通過U型螺栓連接;最后縱向鋪反扣槽鋼做橋面,槽鋼與分配梁焊接連接。棧橋結(jié)構(gòu)布置形式如圖3、圖4所示。

圖3 鋼棧橋結(jié)構(gòu)(單位:mm)

圖4 鋼棧橋橫斷面(單位:mm)

2 荷載分析

2.1 基本參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)文件,原鋼桁梁采用16Mnq鋼材制作,新增的補(bǔ)強(qiáng)縱梁及橫向分配梁、橋面槽鋼均采用 Q235鋼材制作。根據(jù)相關(guān)規(guī)范[5]規(guī)定,鋼材力學(xué)參數(shù)見表1。考慮到該鋼橋已建成20余a,鋼材材質(zhì)可能退化,為安全起見,由專業(yè)鑒定機(jī)構(gòu)對(duì)鋼材性能進(jìn)行鑒定,鑒定項(xiàng)目包括防腐層、桿件變形、節(jié)點(diǎn)連接、裂縫、橋面平整度、螺栓松動(dòng)情況等。鑒定結(jié)論為:防腐層破損引起桿件表面輕微銹蝕,桿件無超限變形,節(jié)點(diǎn)螺栓連接可靠,可繼續(xù)使用,但應(yīng)考慮截面削弱影響,建議桿件截面按縮小1～2 mm計(jì)取。

表1 鋼材力學(xué)參數(shù)

2.2 荷載取值

主要考慮車輛荷載。車輛荷載:單車道布置,活載為100 t罐車(包括自重及載重),荷載分布如圖5所示;車輛荷載考慮沖擊系數(shù),移動(dòng)荷載分析控制數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖5 車輛荷載分布圖6 移動(dòng)荷載分析控制

3 模型分析

3.1 桿件截面參數(shù)

由于該橋已建成20 a左右,廢棄后未維護(hù)保養(yǎng),桿件存在不同程度的銹蝕,主縱梁由于拆除軌道時(shí)防銹漆被破壞、上翼緣約銹蝕2 mm,其他桿件銹蝕較輕,約銹蝕1 mm。各桿件截面取考慮銹蝕后的凈值,截面參數(shù)如表2所示。

表2 桿件凈截面參數(shù) m

3.2 建立模型

3.2.1 邊界條件

利用MIDAS/Civil建立鋼桁梁有限元模型。各構(gòu)件連接形式各異,受約束條件不一,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行模擬。處理各桿件的連接方式如圖7所示,其邊界條件設(shè)置分別為:

圖7 各桿件連接方式

(1)如圖7(a)所示,橫梁高度范圍內(nèi)與主橋豎桿通過角鋼連接,豎桿主要產(chǎn)生平面外彎曲,將橫梁端部處理為截面中心與上、下翼緣之間“剛性連接”。

(2)如圖7(b)所示,水平聯(lián)結(jié)系與縱梁上翼緣相連,縱梁用與其截面中心重合的梁?jiǎn)卧M,模型中這些桿件不共節(jié)點(diǎn),用“剛性連接”模擬這種空間連接作用。

(3)如圖7(c)所示,新增設(shè)的補(bǔ)強(qiáng)縱梁與原橫梁采用全熔透焊接,連接處設(shè)置加勁肋,用“剛性連接”模擬這種連接作用。

(4)如圖7(d)所示,制動(dòng)撐架通過節(jié)點(diǎn)板與主縱橫梁下翼緣連接,存在偏心,用“剛性連接”模擬。

(5)如圖7(e)所示,通過U型螺栓連接,用“彈性連接-剛性”模擬這種連接。

(6)如圖7(f)所示,根據(jù)實(shí)際罐車輪胎尺寸,單側(cè)輪胎范圍內(nèi)橫向僅3根槽鋼受力,軟件無法自動(dòng)將輪壓加載在輪胎范圍內(nèi)的縱向槽鋼上,需要設(shè)置一條虛擬車道,將移動(dòng)荷載加載在虛擬車道上,再將虛擬車道上每個(gè)主節(jié)點(diǎn)與6根縱向槽鋼設(shè)置剛性連接。縱向橋面槽鋼與虛擬車道之間設(shè)置為“剛性連接”,僅考慮豎向自由度,模擬車輛活載向橋面的傳遞。剛性連接使得虛擬車道有豎向線位移約束,為防止計(jì)算過程出現(xiàn)奇異,對(duì)虛擬車道施加縱向、橫向線位移和繞縱向的“轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)彈性支撐”,這些約束剛度極小,不影響整體計(jì)算結(jié)果。

(7)如圖7(g)所示,板鉸在橫向和豎向約束作用均較強(qiáng),而縱向約束較弱,用橫向和豎向的“剛性連接”模擬這種板鉸結(jié)構(gòu)。

(8)如圖7(h)所示,橋門架上橫撐和上平縱聯(lián)端橫撐之間通過3塊鋼板連接,用“剛性連接”模擬這種鋼板連接。

(9)如圖7(i)所示,全橋共4處支座,與橋臺(tái)預(yù)埋鋼板焊接。整體結(jié)構(gòu)支承約束設(shè)置有三個(gè)原則:4個(gè)支座均設(shè)置豎向約束,只有一端設(shè)置縱向約束,只有一側(cè)設(shè)置橫向約束。

(10)如圖7(j)所示,全部桿件均為梁?jiǎn)卧?端橫梁端部上翼緣與下弦端節(jié)點(diǎn)板頂部通過拼接板連接,豎向抗彎能力較強(qiáng);中間橫梁端部腹板通過兩個(gè)角鋼與主豎桿相連,下翼緣板通過節(jié)點(diǎn)板與主橋下弦桿連接,而橫梁上翼緣板未與主豎桿直接連接。若采用完全約束的梁?jiǎn)卧?這些部位結(jié)果會(huì)存在較大誤差,采用“釋放梁端約束”的方法,在一定程度上消除這種誤差。端橫梁僅釋放繞水平彎曲約束,中間橫梁釋放水平彎曲和豎彎約束,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),殘留約束比例取0.8。

3.2.2 整體模型

采用MIDAS/Civil2021進(jìn)行整體動(dòng)力分析,建立原鋼桁梁、補(bǔ)強(qiáng)縱梁、工字鋼橫梁、橋面槽鋼組成的空間整體模型,構(gòu)件均采用梁?jiǎn)卧M。除原鋼桁梁采用16Mnq材質(zhì)外,其余構(gòu)件采用Q235鋼材。該橋整體計(jì)算模型如圖8所示。

圖8 鋼棧橋整體模型

計(jì)算工況為罐車沿橋面中心行駛,單側(cè)輪胎著地尺寸為0.2 m×0.6 m,單側(cè)輪胎范圍內(nèi)橫向有3根槽鋼受力。

4 計(jì)算結(jié)果

由于該橋建成多年,已處于穩(wěn)定狀態(tài),且因監(jiān)測(cè)到的活載變形和應(yīng)力增量反映的是活載作用效應(yīng),所以在此僅考慮活載影響,只進(jìn)行移動(dòng)荷載單工況下的計(jì)算分析。

4.1 強(qiáng)度驗(yàn)算

(1)主桁架應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖9所示,σmax=57.8 MPa<[σ]=210 MPa,滿足要求。

圖9 主桁架應(yīng)力(單位:MPa)

(2)補(bǔ)強(qiáng)縱梁(I20a)每側(cè)3道,間距400 mm,應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖10所示。σmax=107.2 MPa<[σ]=140 MPa,滿足要求。

圖10 補(bǔ)強(qiáng)縱梁組合應(yīng)力(單位:MPa)

4.2 剛度驗(yàn)算

鋼桁梁跨度48 m,主縱梁變形如圖11所示,最大豎向變形:fmax=14.2 mm

圖11 結(jié)構(gòu)整體變形(單位:mm)圖12 補(bǔ)強(qiáng)縱梁變形(單位:mm)

5 與觀測(cè)值比較

5.1 測(cè)試元件安裝

在鋼桁梁各桿件典型位置安裝應(yīng)變片,位置如圖13所示。

圖13 各桿件應(yīng)變?cè)惭b位置

5.2 結(jié)果比較

棧橋改造完成并通車2個(gè)月后,選擇無風(fēng)天氣,進(jìn)行實(shí)際值觀測(cè)。應(yīng)力通過粘貼的應(yīng)變片反映,變形通過全站儀測(cè)量。將計(jì)算值與實(shí)際觀測(cè)值進(jìn)行比較,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3和表4所示。

表3 最大變形計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較

表4 應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn),原鋼桁梁除主縱梁外受力均較小,梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在中間節(jié)間的主縱梁上;橫向分配梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在與原主縱梁相交的支座處;各桿件實(shí)測(cè)變形值均小于計(jì)算值,最大變形位于主縱梁上,新增構(gòu)件變形均較小。

6 結(jié)論

(1)移動(dòng)荷載單工況下應(yīng)力及變形的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值較為吻合,說明各節(jié)點(diǎn)連接及邊界條件的處理較為合理。通過對(duì)不同節(jié)點(diǎn)連接形式采取合適的連接處理,可以模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,得到合理的計(jì)算結(jié)果,對(duì)于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工、保證行車安全具有一定的指導(dǎo)意義。

(2)計(jì)算工況較為單一,為簡(jiǎn)化計(jì)算僅考慮了活載,風(fēng)荷載和日照影響等因素雖能模擬但未考慮。

(3)考慮到該鋼橋已建成20余a,鋼材材質(zhì)可能退化,表面會(huì)發(fā)生銹蝕,為安全起見,對(duì)舊橋進(jìn)行利用時(shí),不但要對(duì)鋼材性能進(jìn)行鑒定,還應(yīng)在建模時(shí)充分考慮截面削弱的影響。