桥梁支架安全监测与有限元模拟分析研究

2014-08-01 05:53王立峰刘云浩韩国强李惠惠
黑龙江交通科技 2014年2期
关键词:架梁架桥机屈曲

黎 峥,王立峰,刘云浩,韩国强,李惠惠

(东北林业大学土木工程学院)

结构有限元分析就是根据外界条件建立结构有限元模型,对模型进行理论性的实验分析。结构分析需准确模拟外部环境和结构刚度,了解实际结构的材料特性,选择合理的有限元单元。Midas/Civil 是基于对预应力混凝土桥、悬索桥、斜拉桥、水化热分析等土木建筑的分析中所需要的各种功能进行综合考虑而开发的最先进的土木结构分析系统,被越来越多地应用于桥梁工程的结构分析中,对优化结构设计有指导性的意义。文中通过Midas/Civil 建立有限元模型对某桥梁架设过程中架桥机支架设计做相关分析。

1 工程概况

大郑线K15 +630.92 与既有大郑线成正交,采用(20 +30 +20)m 预应力混凝土箱梁,其中跨越铁路部分采用标准跨径为30 m 装配式预应力混凝土箱梁,两侧各孔采用标准跨径20 m 装配式预应力混凝土箱梁,梁高1.8 m,边梁顶板宽2.85 m,底板宽1.0 m,现浇桥面板宽0.5 m,桥跨每孔由2 片梁组成,全桥总计6 片梁。

架桥机架设支架由六部分组成。最上一层由8 根钢轨组成,第二层由6 根钢轨组成,第三层为厚度为2 cm 的钢板,下面由4 根直径50 cm、厚度8 mm 的钢管柱和连接钢管柱的75 mm×75 mm 的角钢组成,所用钢材均为Q235 钢,基础由C30混凝土浇筑。支架总高度为9.394 m。

2 建立有限元分析模型

运用有限元结构分析软件Midas/Civil 建立了某桥梁架设过程中架桥机支架模型,对钢管支架各部分结构进行离散。支架杆件单元用梁单元来模拟,基础与钢管上钢板用实体单元模拟。基础下端固结约束,上部各层支架杆件之间通过弹性连接的刚性连接进行连接。建立有限元模型时,以顺桥向里程增大方向为X 轴正向,竖直向上为Z 轴正向,Y 轴正向按照右手规则确定。

3 荷载组合

支架结构的安全性能主要通过结构的强度、刚度及稳定性等方面进行。荷载组合如下:(1)强度验算荷载组合为1.2 ×恒载+1.4 ×活载;(2)刚度验算荷载组合为1.0 ×恒载+1.0 ×活载。其中,恒载为支架结构自重;活载为架桥机荷载和架梁梁重的竖向荷载及水平向风荷载。因施工过程的需要,架桥机吊梁荷载作用于第一层钢轨的一侧,并未作用于全部钢轨。之后分析荷载作用位置按施工过程布载。

4 仿真计算结果分析

4.1 应力结果分析

支架分析时,首先要对支架结构应力进行分析,找到结构中应力分布较大区域,针对支架各部分结构中应力较大区域进行监测,从而保证结构的强度安全性。支架结构各部分的应力分布图如图1 所示。

从图1 可以看出,因架梁荷载作用于支架一侧,支架各部分应力分布呈不均匀现象,作用荷载一侧应力远大于为未加载一侧。最大应力值出现在第二层钢轨靠近端部位置,为160.9 MPa,使用的钢材均为Q235 钢,允许应力值为205 MPa,均达到强度要求。第一层钢轨的跨中和支撑位置、第二层钢轨端部支撑位置、第三层钢板支撑位置和作用荷载一侧钢管柱应力比较大,在支架安全监测过程中应得到重视。

图1 各层结构应力图

4.2 位移结果分析

为了保证架梁的顺利进行,支架结构还应满足一定的变形要求,才能使结构能够正常使用。支架竖向位移图如图2所示。

图2 支架竖向位移

从图2 可以看出,支架竖向位移最大值发生在第一层钢轨的跨中部位,为4.23 mm。对于钢结构来说,挠度的允许值为跨度的1/400,为6.25 mm,满足刚度要求。

4.3 稳定性结果分析

通过特征值分析求得的解有特征值和特征向量,特征值就是临界荷载,特征向量是对应于临界荷载的屈曲模态。临界荷载可以用已知的初始值和临界荷载的乘积计算得到。临界荷载和屈曲模态意味着所输入的临界荷载作用到结构时,结构就发生与屈曲模态相同形态的屈曲。由Midas/Civil屈曲分析得到支架的特征值为19.81,当荷载作用值为架桥机架梁荷载的19.81 倍时,才发生失稳破坏,钢管柱属于小柔度杆仅作强度验算即可。

5 安全监测结果分析

根据有限元分析结果,在支架受力大的部位粘贴应变片,在基础部位埋设振弦式应变传感器,支架的竖向位移使用位移计进行测试。在架梁过程中时时监测支架关键部位的应力和挠度情况。将应力测试结果列于表1。

5.1 应力分析

将应力测试结果列于表1。

表1 支架各部分应力实测值与理论值对比

从表1 可以看出,实测情况均满足设计要求,理论值普遍较实测值偏大,主要是因为在支架强度验算中需要考虑荷载组合中恒载与活载的分项系数,增强了结构的安全性。Midas/Civil 在进行支架验算中能够满足精度要求。

5.2 位移分析

使用位移计在架梁过程测试支架的竖向变形,最大竖向位移为6.10 mm,满足支架刚度验算的允许值。实测值较理论值大,主要是因为:(1)在建立有限元模型时,支架底端使用固定约束,未考虑地基的沉降影响;(2)温度效应的影响。

6 结 论

(1)理论值与实测值吻合很好,满足结构验算的精度要求,说明利用Midas/Civil 建立有限元模型的准确性。

(2)在对支架进行有限元分析时,需充分了解实际结构的受力性能,从而选择正确的单元类型,优化边界条件,才能准确模拟支架系统的安全性。

(3)基础应力很大,是上部结构的承压部位,如果基础处理不当易发生支架倒塌事故,故在施工过程中需加强基础的抗压能力。

[1]王有志.桥梁钢管支架安全评估方法研究[D].天津大学,2004.

[2]曾勇,黄康,谭红梅.某跨海大桥高墩区支架模板结构计算分析[J].中外公路,2013,(4):136-138.

[3]陆征然,陈志华,王小盾,刘群,刘红波.扣件式钢管满堂支撑体系稳定性的有限元分析及试验研究[J]. 土木工程学报,2012,(1):49-60.

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