大跨鋼管混凝土拱橋節(jié)段內(nèi)接法蘭結(jié)構(gòu)分析

摘要 文章采用有限元軟件程序，模擬分析了大跨鋼管混凝土拱橋節(jié)段內(nèi)接法蘭構(gòu)造的受力機理與破壞模式，并對節(jié)段接頭內(nèi)接法蘭構(gòu)造的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了分析，得出了各參數(shù)對接頭構(gòu)造正常使用狀態(tài)和極限承載能力狀態(tài)的影響規(guī)律。結(jié)果表明，過大的加勁板高度將改變局部受力模式，影響材料強度的充分發(fā)揮；適當(dāng)加寬內(nèi)法蘭加勁板，可以大幅提高內(nèi)接法蘭結(jié)構(gòu)的承載能力和屈服臨界荷載。

關(guān)鍵詞 鋼管混凝土拱橋；節(jié)段接頭；內(nèi)法蘭

中圖分類號 U442.5+4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）17-0168-03

0 引言

隨著纜索吊裝系統(tǒng)和斜拉扣掛系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，鋼管混凝土拱橋的建造難度逐漸降低，并朝著更大跨越能力的方向發(fā)展，其中拱肋節(jié)段吊裝工序至關(guān)重要[1]。以往的研究主要集中在斜拉扣掛系統(tǒng)的索力與線形控制，以及拱肋弦管的整體受力上，對節(jié)段接頭的分析研究較少[2-5]。實際上，在扣掛過程中，為留給永久接頭足夠的焊接時間，節(jié)段接頭作為臨時構(gòu)造，需提供足夠的剛度和承載能力。因此，節(jié)段接頭的受力是設(shè)計中不可忽視的重要環(huán)節(jié)。

該文以大跨鋼管混凝土拱橋為例，采用有限元軟件分析，研究拱肋節(jié)段內(nèi)接法蘭的受力機理，并對相關(guān)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行分析，為同類橋梁工程設(shè)計提供參考。

1 內(nèi)接法蘭典型構(gòu)造

大跨拱橋節(jié)段內(nèi)接法蘭的典型構(gòu)造如圖1所示：

圖1 節(jié)段接頭內(nèi)法蘭構(gòu)造示意圖

節(jié)段接頭內(nèi)法蘭構(gòu)造包含法蘭盤、加勁板、內(nèi)襯管及螺栓等。除對接法蘭盤采用螺栓栓接外，其余組成部分間均為焊縫連接。內(nèi)襯管在節(jié)段吊裝時起到導(dǎo)向作用，不作為受力的主要構(gòu)件。內(nèi)接法蘭的基本受力模式主要是靠法蘭盤對接界面承擔(dān)節(jié)段弦管壓力，通過螺栓傳遞弦管拉力。

為突出研究的普遍性，該文主要分析軸壓力作用下節(jié)段內(nèi)接法蘭的受力情況。

2 接頭內(nèi)法蘭受力特征

2.1 計算模型

采用Ansys軟件計算，單元為實體元solid185，材料為理想彈塑性。結(jié)構(gòu)采用軸對稱和正對稱，以簡化建模。

弦管外徑為1 300 mm，壁厚30 mm。初步設(shè)計法蘭盤與加勁板尺寸如下：h0=360 mm，h1=205 mm，b1=320 mm，b0=246 mm，a1=360 mm，a2=161 mm，加勁板厚度為30 mm，法蘭盤平面內(nèi)環(huán)向設(shè)置8道加勁板。如圖2所示：

法蘭盤、加勁板、弦管的材質(zhì)均為Q355。模型在法蘭盤對稱面上為軸向約束，弦管遠(yuǎn)端為加載區(qū)，其他位置為相應(yīng)的對稱約束。

2.2 受力特征

2.2.1 受力過程與破壞形態(tài)

如圖3所示為接頭軸向受壓過程，接頭局部模型的軸向變形情況。

從圖3中可以看出，接頭內(nèi)法蘭構(gòu)造有明顯的彈性區(qū)和多段彈塑性區(qū)。當(dāng)弦管軸壓力較小時，接頭構(gòu)造處于彈性狀態(tài)。受力較大的位置為加勁板后趾處于弦管的相接位置。加勁板后趾處，由于與弦管壁相接，有較大面外剛度突變，易造成應(yīng)力集中。該處一般無焊縫，為直角相接，因此弦管內(nèi)側(cè)較外側(cè)應(yīng)力集中大、出現(xiàn)時間早，但范圍沒有相應(yīng)位置的弦管外側(cè)大。弦管內(nèi)側(cè)應(yīng)力為沿弦管厚度方向的徑向應(yīng)力主導(dǎo)，外側(cè)應(yīng)力為環(huán)向應(yīng)力主導(dǎo)。另外，還可以看到，弦管環(huán)向內(nèi)部，在加勁板間也出現(xiàn)了環(huán)向拉應(yīng)力，這是整個環(huán)向受力過程的協(xié)調(diào)變形導(dǎo)致。

隨著軸壓力增大，在軸壓力為2 301 kN時，加勁板后趾處的內(nèi)側(cè)應(yīng)力集中增大，局部位置率先進(jìn)入塑性狀態(tài)，但范圍較小、區(qū)域擴展較慢，并沒有影響接頭構(gòu)造的受力性能。在軸壓力為4 090 kN時，加勁板在法蘭盤端外側(cè)的位置，局部區(qū)域屈服進(jìn)入塑性狀態(tài)。在軸壓力為8 264 kN時，加勁板后趾處的外側(cè)位置，局部區(qū)域屈服進(jìn)入塑性狀態(tài)。當(dāng)軸壓力繼續(xù)增加時，接頭構(gòu)造以加勁板在法蘭盤外側(cè)和加勁板后趾處的弦管壁外表面為兩個主要塑性區(qū)，向四周擴散，其中加勁板在法蘭盤外側(cè)的塑性區(qū)擴展較快。當(dāng)軸壓力為10 820 kN時，加勁板在法蘭盤接觸界面的附近區(qū)域幾乎都進(jìn)入塑性區(qū)。

當(dāng)軸壓力增加到12 286 kN左右時，加勁板前趾處的弦管外緣也出現(xiàn)了塑性區(qū)域。

當(dāng)軸壓力繼續(xù)增加，加勁板內(nèi)側(cè)背脊上出現(xiàn)了新的屈服區(qū)域。該區(qū)域應(yīng)力仍以縱向為主。隨著這個塑性區(qū)域的迅速擴展，在軸壓力達(dá)到13 609 kN后，與之前法蘭盤附近的塑性區(qū)域連通融合，進(jìn)一步降低了弦管的整體剛度。

2.2.2 構(gòu)造剛度

表1為內(nèi)接法蘭構(gòu)造在軸壓力作用過程中關(guān)鍵狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

從表1的剛度變化可以看出，盡管加勁板后趾弦管內(nèi)側(cè)已屈服，但并沒有影響構(gòu)造的整體剛度。加勁板在法蘭盤外側(cè)的區(qū)域屈服前，剛度基本維持不變。在加勁板前端出現(xiàn)屈服后，剛度才有下降的趨勢，但降幅并不大，維持在10%以內(nèi)。

2.2.3 理論承載能力

需要注意的是，從理論上來看，假設(shè)加勁板與法蘭盤的接觸面，由于受正應(yīng)力作用而全部進(jìn)入塑性區(qū)域，局部構(gòu)造形成塑性鉸，此時的臨界軸壓力為11 076 kN。對比圖3的圖線發(fā)現(xiàn)，節(jié)段內(nèi)接法蘭構(gòu)造在超過這個值時，仍能繼續(xù)承受荷載增量，與理論有所差別。

3 參數(shù)分析

3.1 加勁板高度h0、h1

從表2總體來看，加勁板的高度h0變化時，加勁板首次屈服臨界壓力并非單調(diào)變化。而增大h1，易使加勁板首次屈服的臨界壓力降低，對加勁板受力不利。而增大接觸高度h0、減小高度h1都會增加弦管首次屈服的臨界壓力，這是由于這兩項措施都能減小加勁板對于弦管的外作用，減小兩種接觸面的面外正應(yīng)力。

因此，增加加勁板與法蘭盤的接觸寬度，可能會使剪應(yīng)力增大，降低接頭構(gòu)造的承載能力。設(shè)計時，需具體分析加勁板的高度尺寸，降低加勁板的二維受力趨勢，以及加勁板對弦管管壁的面外作用效應(yīng)，從而提高材料進(jìn)入塑性狀態(tài)的軸壓力臨界值。

3.2 加勁板寬度b0、b1

如圖4所示為不同加勁板寬度下節(jié)段內(nèi)法蘭構(gòu)造的荷載-位移曲線。

由圖4可以看到，增加b0寬度，可以提高節(jié)段內(nèi)法蘭的承載能力。增幅不大，并且由于b0寬度主要由節(jié)段間嵌補段的寬度確定。一方面，為使高空作業(yè)時吊運、裝配嵌補段的方便施工；另一方面，需留出焊接加勁板的空間。因此，嵌補段寬度不宜過大或過小，其尺寸宜在300～400 mm，可調(diào)整范圍不大。綜合來看，對節(jié)段內(nèi)法蘭構(gòu)造的承載能力影響不大。

但是，增加加勁板與弦管壁的接觸寬度b1，對節(jié)段內(nèi)法蘭構(gòu)造的承載能力提高較大。這是由于加寬加勁板下底面后，傳力路徑變得平緩，且最終破壞面不再是加勁板與法蘭盤的接觸平面，而是該區(qū)域的斜切面。

表3為加勁板寬度變化時，加勁板和弦管的首次屈服情況。

從表3中可以看到，增大加勁板寬度b0、b1，可以大幅提高加勁板和弦管的屈服臨界軸力，推遲局部位置進(jìn)入塑性區(qū)域的時機，使材料得到更充分地利用。值得注意的是，在b0=446 mm，b1=320 mm的工況中，出現(xiàn)了加勁板晚于弦管進(jìn)入塑性狀態(tài)的情況。

3.3 弦管壁厚度t1、加勁板厚度t

如圖5所示為不同構(gòu)造厚度下節(jié)段內(nèi)法蘭構(gòu)造的荷載-位移曲線。

弦管的厚度變化對節(jié)段法蘭構(gòu)造的受力影響同樣較大。若弦管厚度過小，則弦管外壁過早地進(jìn)入塑性狀態(tài)，且發(fā)展速度很快，使得加勁板在尚未完全進(jìn)入塑性狀態(tài)時，節(jié)段法蘭構(gòu)造就已失去承載能力。若弦管厚度較大，弦管外壁完全進(jìn)入塑性狀態(tài)的時間較晚，可使加勁板材料強度發(fā)揮得更加充分，甚至可以促使部分區(qū)域的鋼材受力進(jìn)入強化階段，稍微提高整體的承載能力。

從表4可以看出，提高構(gòu)造厚度，可以提高加勁板和弦管首次屈服的臨界軸壓力，且增幅較為顯著。另外，從t1=20 mm，t=30 mm的工況可以看到，當(dāng)弦管壁厚較薄時，弦管有可能先于加勁板屈服。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)軸壓力繼續(xù)增加時，接頭構(gòu)造以加勁板在法蘭盤外側(cè)和加勁板后趾處的弦管壁外表面為兩個主要塑性區(qū)，向四周擴散。

（2）結(jié)合變形和剛度分析，建議將加勁板首次屈服作為接頭構(gòu)造軟化的指標(biāo)，將后趾處弦管外側(cè)的首次屈服作為局部設(shè)計受力的臨界狀態(tài)，并通過構(gòu)造設(shè)計，使加勁板先于后趾處弦管外側(cè)的屈服。

（3）增大接觸高度h0、減小高度h1都會增加弦管首次屈服的臨界壓力。設(shè)計時，需具體分析加勁板的高度尺寸，降低加勁板的二維受力趨勢，以及加勁板對弦管管壁的面外作用效應(yīng)。

（4）增大加勁板寬度b0、b1，可以大幅提高加勁板和弦管的屈服臨界軸力，推遲局部位置進(jìn)入塑性區(qū)域的時機，使材料得到更充分地利用。

（5）加大弦管厚度與加勁板厚度可以一定程度上提高接頭局部的受力性能。

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