節(jié)點(diǎn)連接剛度對(duì)鋼桁梁拱橋受力性能影響分析

姚 莉

1 背景

廣東某特大橋主跨111 m+2×220 m+111 m，主桁采用焊接整體節(jié)點(diǎn)，最大節(jié)點(diǎn)板焊56 mm，弦桿及拱肋在節(jié)點(diǎn)外四面拼接，腹桿與節(jié)點(diǎn)大多采用插入式連接，主桁桿件與節(jié)點(diǎn)之間采用M30高強(qiáng)螺栓連接，箱形桿件下水平板需設(shè)置手孔，手孔位于拼接縫中心處，寬300 mm，箱形吊桿與主桁節(jié)點(diǎn)采用四面對(duì)接的方式連接。節(jié)點(diǎn)剛接指節(jié)點(diǎn)完全不轉(zhuǎn)動(dòng)，節(jié)點(diǎn)不但能承擔(dān)剪力、軸力，還具有足夠抗彎剛度，在彎矩作用下變形很小。而節(jié)點(diǎn)鉸接則指節(jié)點(diǎn)能夠承擔(dān)剪力和軸力，但不能承擔(dān)彎矩。考慮到節(jié)點(diǎn)實(shí)際設(shè)計(jì)及施工方案，節(jié)點(diǎn)的剛度可能介于兩者之間，形成半剛性節(jié)點(diǎn)，因此分析節(jié)點(diǎn)連接剛度對(duì)橋梁受力性能影響具有重要意義。

2 模型建立

考慮到結(jié)構(gòu)的連接形式，在施工過程中，桿件的連接剛度是介于剛性連接及鉸接兩者之間，為了分析結(jié)構(gòu)受力的安全性，對(duì)桿件的連接剛度從兩個(gè)方面進(jìn)行分析:

1)分析桿件剛接對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響時(shí)，全橋桿件采用剛性連接;

2)分析節(jié)點(diǎn)鉸接對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響時(shí)，主桁截面采用剛性連接，釋放腹桿、橫梁、橫肋、橫聯(lián)和平聯(lián)桿件桿端約束，具體見圖1。

圖1 全橋模型

3 結(jié)果分析

3.1 邊跨施工完成階段

1)位移結(jié)果分析。

邊跨施工完成階段結(jié)構(gòu)在自重作用下最大變形值見表1，圖2，圖3。從表1可知，在節(jié)點(diǎn)剛接和鉸接兩種情況下，縱橋向最大位移比值相差0.8%，豎向最大位移比值相差3.2%。

表1 邊跨施工完成階段結(jié)構(gòu)最大變形值

2)應(yīng)力結(jié)果分析。

結(jié)構(gòu)在自重作用下的應(yīng)力情況見圖4，圖5。由圖4，圖5可見，當(dāng)結(jié)構(gòu)剛接時(shí)，桿件最大應(yīng)力為165 MPa，當(dāng)結(jié)構(gòu)鉸接時(shí)，最大應(yīng)力為 163.5 MPa。

對(duì)邊跨施工完成工況在自重作用下各方向變形值和梁單元最大應(yīng)力值分析可見:當(dāng)節(jié)點(diǎn)在剛接及鉸接兩種情況下，縱向及豎向兩個(gè)方向結(jié)構(gòu)變形變化值相差很小，變形相差最大為豎向約3.2%;梁單元的最大應(yīng)力變化相差很小為0.9%。

圖2 節(jié)點(diǎn)剛接結(jié)構(gòu)的撓度（一）（單位:mm）

圖3 節(jié)點(diǎn)鉸接結(jié)構(gòu)的撓度（一）（單位:mm）

圖4 節(jié)點(diǎn)剛接梁單元應(yīng)力圖（一）（單位:MPa）

圖5 節(jié)點(diǎn)鉸接梁單元應(yīng)力圖（一）（單位:MPa）

3.2 中跨施工完成階段

1)位移結(jié)果分析。

中跨施工完成階段結(jié)構(gòu)在自重作用下最大變形值見表2，圖6，圖7。從表2可知，在節(jié)點(diǎn)剛接和鉸接兩種情況下，縱橋向最大位移比值相差0.8%，豎向最大位移比值相差1.5%。

表2 中跨施工完成階段結(jié)構(gòu)最大變形值

2)應(yīng)力結(jié)果分析。

結(jié)構(gòu)在自重作用下的應(yīng)力情況見圖8，圖9。由圖8，圖9可見，當(dāng)結(jié)構(gòu)剛接時(shí)，桿件最大應(yīng)力為216 MPa，當(dāng)結(jié)構(gòu)鉸接時(shí)，最大應(yīng)力為220 MPa。

對(duì)中跨施工完成工況在自重作用下各方向變形值和梁單元最大應(yīng)力值分析可見:當(dāng)節(jié)點(diǎn)在剛接及鉸接兩種情況下，縱向及豎向兩個(gè)方向結(jié)構(gòu)變形變化值相差很小，變形相差最大為豎向約1.5%;梁單元的最大應(yīng)力變化相差很小為1.5%。

圖6 節(jié)點(diǎn)剛接結(jié)構(gòu)的撓度（二）（單位:mm）

圖7 節(jié)點(diǎn)鉸接結(jié)構(gòu)的撓度（二）（單位:mm）

圖8 節(jié)點(diǎn)剛接梁單元應(yīng)力圖（二）（單位:MPa）

圖9 節(jié)點(diǎn)鉸接梁單元應(yīng)力圖（二）（單位:MPa）

3.3 成橋階段

1)位移結(jié)果分析。

成橋階段結(jié)構(gòu)在自重作用下最大變形值見表3，圖10，圖11。從表3可知，在節(jié)點(diǎn)剛接和鉸接兩種情況下，縱橋向最大位移比值相差6.6%，豎向最大位移比值相差15.9%。

表3 成橋階段結(jié)構(gòu)最大變形值

圖10 節(jié)點(diǎn)剛接結(jié)構(gòu)的撓度（三）（單位:mm）

2)應(yīng)力結(jié)果分析。

結(jié)構(gòu)在自重和風(fēng)荷載作用下的應(yīng)力情況見圖12，圖13。由圖12，圖13可見，當(dāng)結(jié)構(gòu)剛接時(shí)，桿件最大應(yīng)力為119 MPa，當(dāng)結(jié)構(gòu)鉸接時(shí)，最大應(yīng)力為109 MPa。

圖11 節(jié)點(diǎn)鉸接結(jié)構(gòu)的撓度（三）（單位:mm）

圖12 節(jié)點(diǎn)剛接梁單元應(yīng)力圖（三）（單位:MPa）

圖13 節(jié)點(diǎn)鉸接梁單元應(yīng)力圖（三）（單位:MPa）

對(duì)成橋工況在自重作用下各方向變形值和梁單元最大應(yīng)力值分析可見:當(dāng)節(jié)點(diǎn)在剛接及鉸接兩種情況下，縱向及豎向兩個(gè)方向結(jié)構(gòu)變形變化值相差很小，變形相差最大為豎向約15.9%;梁單元的最大應(yīng)力變化相差很小為8.3%。

4 結(jié)語

本文利用有限元軟件建立了某鋼桁拱橋模型，采用“釋放梁單元約束”技術(shù)分別研究了節(jié)點(diǎn)剛接和鉸接時(shí)結(jié)構(gòu)受力性能的變化規(guī)律。

分析發(fā)現(xiàn):在邊跨和中跨施工過程中，節(jié)點(diǎn)連接剛度對(duì)沿橋方向和豎向位移影響較小;節(jié)點(diǎn)連接剛度對(duì)梁單元最大應(yīng)力影響均較小;在成橋之后，節(jié)點(diǎn)連接剛度對(duì)結(jié)構(gòu)豎向位移及沿橋縱向影響顯著，分別為15.9%及6.6%，對(duì)梁單元最大應(yīng)力亦有一定影響，梁單元的最大應(yīng)力變化達(dá)到8.3%。

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