鉆桿組合梁力學性能研究

文 華 鄧勇軍 古 松

(西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621000)

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鉆桿組合梁力學性能研究

文 華 鄧勇軍 古 松

(西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621000)

通過對三根鉆桿和若干抱箍形成的單個鉆桿組合梁進行數值模擬，得到了鋼抱箍與鉆桿之間的相互作用關系，分析了各部分的受力特點，并結合設計要求，討論抱箍數量對單根構件承載能力的影響，得到不同跨度的廢舊鉆桿橋梁中單根構件所需的抱箍數量，為鉆桿橋的設計提供依據。

鉆桿，抱箍，鉆桿組合梁，鉆桿橋

0 引言

鉆前工程短跨度橋涵上部結構目前普遍采用的形式是現澆鋼筋混凝土結構形式的簡支梁橋，但對于現澆的上部結構工序繁多，還有混凝土的養護也需要花費大量時間，導致了前工程的工期較長。鉆桿橋為全裝配式橋梁，能縮短工期，且橋梁全為鋼材，重量較輕，不需要大型安裝機械及大量人工即可實現橋梁的架設[2,]3〗。然而目前缺少關于鉆桿橋力學性能的研究，本文要做的就是對鉆桿組合梁力學性能的研究工作。

鉆桿梁式橋指的是利用廢舊鉆桿建造的梁式橋，其中承重縱梁為廢舊鉆桿，鉆桿以三個為一組，疊合起來形成一個“品”字形作為一片縱梁，在縱梁的端部及其中部等截面用抱箍連接件約束，在抱箍兩側對稱焊接兩塊耳板作為一個抱箍連接件整體；拼裝時在抱箍連接件上焊接一定規格的槽鋼作為橫隔板；最后在橋面鋪設一定厚度的鋼板作為橋面鋼板。

本文針對三根鉆桿和若干抱箍形成的單個橋梁桿件進行數值模擬，目的是為了解鋼抱箍與鉆桿之間的相互作用關系，分析各部分的受力特點，并結合設計要求，討論抱箍數量對單根構件的承載能力的影響，得到不同跨度的廢舊鉆桿橋梁中單根構件所需的抱箍數量，為鉆桿橋的設計提供依據。

1 鉆桿組合梁具體構造

鉆桿組合梁是以三個長度9.5 m，外徑140 mm，壁厚10 mm的廢舊鉆桿為一組，疊合起來形成一個“品”字形作為一片縱梁，其橫向間距為0.5 m，在端部及其中部等截面用抱箍連接件約束，抱箍連接件縱橋向間距為1 500 mm。抱箍鉆桿橫截面尺寸如圖1所示。

2 鉆桿組合梁力學特性數值模擬分析

在進行抱箍數量及間距分析之前，首先對抱箍及鉆桿共同作用機理初步分析，了解二者在外荷載作用下的受力、變形情況。

此處以8 m鉆桿橋，從中部開始，向兩端等間距設置5個抱箍為分析對象(如圖2所示)，研究抱箍構件中各組成部分的位移、變形、Von Misses應力及應變值。

2.1 Von Misses 應力云圖

對于結構的應力分析來說，我們分析后查看應力，目的就在于確定該結構的承載能力是否足夠。我們在ANSYS計算中得到的應力，總是要和單軸破壞試驗得到的結果進行比對的。而當有限元模型本身是三維實體結構，應力分布要復雜得多，不能僅用單一方向上的應力來代表結構此處的確切應力值，通常采用強度理論來判斷構件的應力值，根據材料的強度理論可知，對于鋼材這種塑性較強的實體結構，通常根據第三、第四強度理論，查看項目為應力強度(stress intensity)或Von Misses應力，其中第四強度理論在鋼結構分析中較為普遍，該理論認為：彈性體在外力作用下產生變形，荷載做功，彈性體變形儲能，稱之為應變能(分為畸變能和體積的改變能)。引起材料屈服的主要因素是畸變能密度，無論何種狀態，只要畸變能密度達到材料單向拉伸屈服時的畸變能密度，材料就屈服。

2.1.1 鉆桿

鉆桿作為抱箍構件的主要受力桿件，其在外荷載作用下的Von Misess應力值及分布形式能夠反映整個構件的受力狀態，也是判斷抱箍構件在外荷載作用下是否能夠正常工作的標志，故圖3給出整個加載歷程中鉆桿的應力云圖。

根據圖3所示，抱箍構件在15 t的外荷載作用下，鉆桿整體應力值較小，基本都處于彈性范圍內，跨中應力為132 MPa，應力較大值出現在支座附近及三根鉆桿交互交接處，支座附近局部位置出現最大應力值為266.3 MPa，已經超過鋼材屈服強度235 MPa，根據分析，此處由于受支座約束影響，造成應力集中現象明顯，故達到屈服狀態，并且在理想彈塑性模型中出現超過屈服應力現象，可以認為有以下兩個原因：1)由于MISE組合應力計算方式導致的，即認為組合應力會超越單軸屈服極限應力；2)由于Solid185單元積分點分布在單元內部而不是單元節點上，計算時高斯積分點上的應力是較為準確的，而節點應力是通過高斯積分點應力向外差值得到的，可能出現超過積分點的應力值。模擬過程中，隨著荷載的增加，頂部鉆桿在外荷載作用下逐漸與底部兩根鉆桿壓緊，表現為接觸位置應力增大，而底部兩根鉆桿由于在各自頂部壓力作用下，壓應力作用方向沿兩圓心連線，為斜向壓力，在該壓力作用下存在水平方向的位移，故二者隨著頂部壓力增加，逐漸出現向兩邊運動狀態，應力云圖上表現為二者之間接觸應力減小，逐漸分離，底部鉆桿圓環內部應力增大。這說明在外荷載作用下，底部鉆桿易發生水平方向運動，導致三根鉆桿整體性效果減弱，從而說明抱箍在該類構件中的約束作用明顯。下面再通過鋼抱箍的應力分析，說明其在抱箍構件中的作用，以及與鉆桿的相互工作機理。

2.1.2 鋼抱箍

根據圖4所示，抱箍構件在外荷載作用下，中部鋼抱箍的應力值最大，而靠近兩端支座處的鋼抱箍應力依次減小，說明在跨中集中力作用下，中部鋼抱箍受力最大，并且結合鉆桿的受力特點可知，鋼抱箍在整個抱箍構件中主要起約束三根鉆桿的作用，故在外荷載作用下，由于限制鉆桿的水平移動分離，鋼抱箍主要承受環向拉應力，而中部彎曲變形最大，導致中部鋼抱箍的應力值最大。

模擬過程中從中部鋼抱箍在不同加載下Misess應力云圖可以得到抱箍內部各處的應力分布狀態，判斷鋼抱箍主要受力部位，分析其受力特點，在頂部集中荷載作用下，鋼抱箍最大拉應力值出現在鋼抱箍與鉆桿交接處邊緣，這些部位被認為是鋼抱箍的薄弱位置，在設計時需要重點考慮，并且底部兩根鉆桿與鋼抱箍接觸部位由于受到拉、壓等復雜應力影響，該部位的應力值也較大，而鋼抱箍與頂部鉆桿接觸位置主要以壓應力為主，應力值相對較小。

2.2 位移分析

構件的位移反映了其在外荷載作用下的變形情況，根據變形判斷構件是否滿足正常使用極限狀態要求，根據JT/T 728—2008裝配式公路鋼橋規范要求，對于裝配式橋梁其跨中最大容許撓度為L/120(L為橋梁跨度)，故圖5a)給出抱箍構件各組成部分在外荷載作用下的豎向位移圖。圖中表明，豎向位移最大值為44 mm，滿足規范要求66.7 mm(8 000 mm/120)。

圖5b)給出了下部兩根鉆桿間距隨荷載變化圖，從圖中可以看出，隨著豎向荷載增加，下部兩根鉆桿受到上部鉆桿斜向力作用發生水平位移，最大間距能達到1.8 mm，而該部分位移主要由鉆桿壓縮變形及鋼抱箍的受拉伸長變形組成，在實際設計過程中應當考慮合理的設計外部鋼抱箍的尺寸以滿足變形需要。

3 結語

分析得出，抱箍構件為典型的受彎構件，在跨中集中荷載作用下，三根鉆桿為主要承力構件，發生彎曲變形，且由于三根鉆桿形成組合構件，在荷載作用下存在相互擠壓及剪切作用，故應力最大值易出現在支座、跨中附近及三根鉆桿相互交接處。外部鋼抱箍主要起約束鉆桿作用，承受環向拉應力，最大應力值出現在與鉆桿接觸邊緣處，鋼抱箍與鉆桿接觸區域受復雜應力影響，應力值相對也較大，需引起注意。通過對鉆桿組合梁力學性能的研究，為鉆桿橋的設計提供了依據。

[1]姚玲森.橋梁工程.北京：人民交通出版社，1988.

[2]JTG D60—2004，預制裝配整體式鋼筋混凝土結構技術規范.

[3]徐關堯.裝配式橋梁的現狀及發展趨勢.鋼結構，1999,14(3)：47-49.

[4]JT/T 728—2008，裝配式公路鋼橋規范.

Drill pipe composite mechanical properties research

Wen Hua Deng Yongjun Gu Song

(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621000,China)

This article through to three drill pipe and several embrace hoop forming numerical simulation of the single drill pipe composite beams of steel hoop and the interaction relationship between the drill pipe, analyzes the mechanical characteristics of each part, and combined with the design requirements, discuss the hoop number influence on bearing capacity of single component, get different span the waste drill pipe bridge of single component needed to embrace hoop number, provide the basis for the design of the pipe bridge.

drill pipe, embrace hoop, drill pipe composite, drill pipe bridge

1009-6825(2015)21-0019-03

2015-05-18

文 華(1978- )，男，博士，副教授

TU311

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