钻杆组合梁力学性能研究

文 华 邓勇军 古 松

(西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621000)



钻杆组合梁力学性能研究

文 华 邓勇军 古 松

(西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621000)

通过对三根钻杆和若干抱箍形成的单个钻杆组合梁进行数值模拟，得到了钢抱箍与钻杆之间的相互作用关系，分析了各部分的受力特点，并结合设计要求，讨论抱箍数量对单根构件承载能力的影响，得到不同跨度的废旧钻杆桥梁中单根构件所需的抱箍数量，为钻杆桥的设计提供依据。

钻杆，抱箍，钻杆组合梁，钻杆桥

0 引言

钻前工程短跨度桥涵上部结构目前普遍采用的形式是现浇钢筋混凝土结构形式的简支梁桥，但对于现浇的上部结构工序繁多，还有混凝土的养护也需要花费大量时间，导致了前工程的工期较长。钻杆桥为全装配式桥梁，能缩短工期，且桥梁全为钢材，重量较轻，不需要大型安装机械及大量人工即可实现桥梁的架设[2,]3〗。然而目前缺少关于钻杆桥力学性能的研究，本文要做的就是对钻杆组合梁力学性能的研究工作。

钻杆梁式桥指的是利用废旧钻杆建造的梁式桥，其中承重纵梁为废旧钻杆，钻杆以三个为一组，叠合起来形成一个“品”字形作为一片纵梁，在纵梁的端部及其中部等截面用抱箍连接件约束，在抱箍两侧对称焊接两块耳板作为一个抱箍连接件整体；拼装时在抱箍连接件上焊接一定规格的槽钢作为横隔板；最后在桥面铺设一定厚度的钢板作为桥面钢板。

本文针对三根钻杆和若干抱箍形成的单个桥梁杆件进行数值模拟，目的是为了解钢抱箍与钻杆之间的相互作用关系，分析各部分的受力特点，并结合设计要求，讨论抱箍数量对单根构件的承载能力的影响，得到不同跨度的废旧钻杆桥梁中单根构件所需的抱箍数量，为钻杆桥的设计提供依据。

1 钻杆组合梁具体构造

钻杆组合梁是以三个长度9.5 m，外径140 mm，壁厚10 mm的废旧钻杆为一组，叠合起来形成一个“品”字形作为一片纵梁，其横向间距为0.5 m，在端部及其中部等截面用抱箍连接件约束，抱箍连接件纵桥向间距为1 500 mm。抱箍钻杆横截面尺寸如图1所示。

2 钻杆组合梁力学特性数值模拟分析

在进行抱箍数量及间距分析之前，首先对抱箍及钻杆共同作用机理初步分析，了解二者在外荷载作用下的受力、变形情况。

此处以8 m钻杆桥，从中部开始，向两端等间距设置5个抱箍为分析对象(如图2所示)，研究抱箍构件中各组成部分的位移、变形、Von Misses应力及应变值。

2.1 Von Misses 应力云图

对于结构的应力分析来说，我们分析后查看应力，目的就在于确定该结构的承载能力是否足够。我们在ANSYS计算中得到的应力，总是要和单轴破坏试验得到的结果进行比对的。而当有限元模型本身是三维实体结构，应力分布要复杂得多，不能仅用单一方向上的应力来代表结构此处的确切应力值，通常采用强度理论来判断构件的应力值，根据材料的强度理论可知，对于钢材这种塑性较强的实体结构，通常根据第三、第四强度理论，查看项目为应力强度(stress intensity)或Von Misses应力，其中第四强度理论在钢结构分析中较为普遍，该理论认为：弹性体在外力作用下产生变形，荷载做功，弹性体变形储能，称之为应变能(分为畸变能和体积的改变能)。引起材料屈服的主要因素是畸变能密度，无论何种状态，只要畸变能密度达到材料单向拉伸屈服时的畸变能密度，材料就屈服。

2.1.1 钻杆

钻杆作为抱箍构件的主要受力杆件，其在外荷载作用下的Von Misess应力值及分布形式能够反映整个构件的受力状态，也是判断抱箍构件在外荷载作用下是否能够正常工作的标志，故图3给出整个加载历程中钻杆的应力云图。

根据图3所示，抱箍构件在15 t的外荷载作用下，钻杆整体应力值较小，基本都处于弹性范围内，跨中应力为132 MPa，应力较大值出现在支座附近及三根钻杆交互交接处，支座附近局部位置出现最大应力值为266.3 MPa，已经超过钢材屈服强度235 MPa，根据分析，此处由于受支座约束影响，造成应力集中现象明显，故达到屈服状态，并且在理想弹塑性模型中出现超过屈服应力现象，可以认为有以下两个原因：1)由于MISE组合应力计算方式导致的，即认为组合应力会超越单轴屈服极限应力；2)由于Solid185单元积分点分布在单元内部而不是单元节点上，计算时高斯积分点上的应力是较为准确的，而节点应力是通过高斯积分点应力向外差值得到的，可能出现超过积分点的应力值。模拟过程中，随着荷载的增加，顶部钻杆在外荷载作用下逐渐与底部两根钻杆压紧，表现为接触位置应力增大，而底部两根钻杆由于在各自顶部压力作用下，压应力作用方向沿两圆心连线，为斜向压力，在该压力作用下存在水平方向的位移，故二者随着顶部压力增加，逐渐出现向两边运动状态，应力云图上表现为二者之间接触应力减小，逐渐分离，底部钻杆圆环内部应力增大。这说明在外荷载作用下，底部钻杆易发生水平方向运动，导致三根钻杆整体性效果减弱，从而说明抱箍在该类构件中的约束作用明显。下面再通过钢抱箍的应力分析，说明其在抱箍构件中的作用，以及与钻杆的相互工作机理。

2.1.2 钢抱箍

根据图4所示，抱箍构件在外荷载作用下，中部钢抱箍的应力值最大，而靠近两端支座处的钢抱箍应力依次减小，说明在跨中集中力作用下，中部钢抱箍受力最大，并且结合钻杆的受力特点可知，钢抱箍在整个抱箍构件中主要起约束三根钻杆的作用，故在外荷载作用下，由于限制钻杆的水平移动分离，钢抱箍主要承受环向拉应力，而中部弯曲变形最大，导致中部钢抱箍的应力值最大。

模拟过程中从中部钢抱箍在不同加载下Misess应力云图可以得到抱箍内部各处的应力分布状态，判断钢抱箍主要受力部位，分析其受力特点，在顶部集中荷载作用下，钢抱箍最大拉应力值出现在钢抱箍与钻杆交接处边缘，这些部位被认为是钢抱箍的薄弱位置，在设计时需要重点考虑，并且底部两根钻杆与钢抱箍接触部位由于受到拉、压等复杂应力影响，该部位的应力值也较大，而钢抱箍与顶部钻杆接触位置主要以压应力为主，应力值相对较小。

2.2 位移分析

构件的位移反映了其在外荷载作用下的变形情况，根据变形判断构件是否满足正常使用极限状态要求，根据JT/T 728—2008装配式公路钢桥规范要求，对于装配式桥梁其跨中最大容许挠度为L/120(L为桥梁跨度)，故图5a)给出抱箍构件各组成部分在外荷载作用下的竖向位移图。图中表明，竖向位移最大值为44 mm，满足规范要求66.7 mm(8 000 mm/120)。

图5b)给出了下部两根钻杆间距随荷载变化图，从图中可以看出，随着竖向荷载增加，下部两根钻杆受到上部钻杆斜向力作用发生水平位移，最大间距能达到1.8 mm，而该部分位移主要由钻杆压缩变形及钢抱箍的受拉伸长变形组成，在实际设计过程中应当考虑合理的设计外部钢抱箍的尺寸以满足变形需要。

3 结语

分析得出，抱箍构件为典型的受弯构件，在跨中集中荷载作用下，三根钻杆为主要承力构件，发生弯曲变形，且由于三根钻杆形成组合构件，在荷载作用下存在相互挤压及剪切作用，故应力最大值易出现在支座、跨中附近及三根钻杆相互交接处。外部钢抱箍主要起约束钻杆作用，承受环向拉应力，最大应力值出现在与钻杆接触边缘处，钢抱箍与钻杆接触区域受复杂应力影响，应力值相对也较大，需引起注意。通过对钻杆组合梁力学性能的研究，为钻杆桥的设计提供了依据。

[1]姚玲森.桥梁工程.北京：人民交通出版社，1988.

[2]JTG D60—2004，预制装配整体式钢筋混凝土结构技术规范.

[3]徐关尧.装配式桥梁的现状及发展趋势.钢结构，1999,14(3)：47-49.

[4]JT/T 728—2008，装配式公路钢桥规范.

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 华(1978- )，男，博士，副教授

TU311

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