跨航道简支钢桁梁桥主桁节点与横梁连接性能研究_傅晨曦.pdf
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1、第 卷,第 期 年 月公路工程,:收稿日期 基金项目 江苏省交通运输科技项目()作者简介 傅晨曦(),男,江苏江阴人,高级工程师,硕士,主要从事钢结构桥梁、预制装配式桥梁设计研发工作。引文格式 傅晨曦,周 青,韩大章,等 跨航道简支钢桁梁桥主桁节点与横梁连接性能研究 公路工程,():,():,跨航道简支钢桁梁桥主桁节点与横梁连接性能研究傅晨曦,周 青,韩大章,熊 文,宋晓东(.华设设计集团股份有限公司,江苏 南京;.东南大学 交通学院桥梁工程系,江苏 南京)摘 要 对于简支钢桁梁桥,主桁受力变形会引起桥面系的变形,进而使横梁产生面外弯矩,影响整体受力性能;同时横梁面内也承受较大的弯矩,使得横梁
2、与主桁连接部位应力较大。为改善横梁面外受力与面内受力情况,提高主桁节点与横梁连接性能,首先建立整体模型并通过参数分析研究采用不同施工方法对横梁面外弯矩的影响;然后,基于局部模型分析了横梁与主桁连接部位的受力情况,并对比了不同构造措施对此连接区域受力的改善程度。研究表明:采用纵梁滞后安装、设置长圆孔等措施可以一定程度上降低恒载作用下纵梁与主桁纵向变形不一致导致的横梁面外弯矩,但是考虑活载效应后,各种措施降低效果有所减少;对于传统的横梁与主桁连接形式,由于横梁面内弯矩较大,腹板与主桁连接角钢会出现较大的应力,采用纵梁滞后安装、设置长圆孔等施工措施不能有效降低此应力,故成为结构的薄弱环节;在横梁上翼
3、缘与主桁连接位置采用角钢连接的加强构造形式可以有效提高节点刚度,降低主桁与横梁连接部位的应力水平;采用整体节点的构造形式则可以有效避开横梁与主桁连接的受力薄弱位置,新的连接位置距离主桁一定距离,从而大幅度降低了连接位置的应力水平。关键词 桥梁工程;简支钢桁梁;连接构造;面外弯矩;面内弯矩中图分类号.文献标志码 文章编号 (),(.,.,;.,),;,.,;,第 期傅晨曦,等:跨航道简支钢桁梁桥主桁节点与横梁连接性能研究 .,;,.,;,;引言钢桁梁桥,由于建筑高度较其它桥型低,总规模较小,桥梁安全性和耐久性好,施工工艺简单,具有较好的承受重载交通能力,在交通流量较大的较高等级公路上比较具有竞争
4、力。对于纵横梁桥面系,桥面系与主桁的纵向变形存在滞后效应,不能完全协调,主桁下弦杆纵向伸缩或者桥面系纵向伸缩,均会使横梁发生面外弯曲,产生较大的面外弯矩,即为共同作用。此外,对于传统的横梁与主桁连接形式,横梁面内也存在较大的弯矩,横梁与主桁连接部位应力水平较高,使得其容易成为结构的薄弱位置。针对钢桁梁的面外受力与面内受力情况,国内外学者进行了相应的受力分析并提出了一些措施加以改善。张兴志等对某简支钢桁梁进行有限元建模分析,比选了减小桥面系与主桁共同作用的不同方案,发现纵梁预先缩短后安装可以完全抵消共同作用效应。郑纪研等从控制“第一体系”作用的角度出发,对宽幅大跨钢桁梁的受力状态进行了研究,指出
5、可采用密布横梁桥面系来改善传统纵横梁体系面外弯矩过大的问题。程高等基于势能驻值原理建立了上弦杆的稳定平衡方程,推导出上弦杆面外屈曲荷载的解析表达式,提出了上弦杆面外屈曲荷载的简化计算公式。张晔芝等从结合桥面系变形协调出发,提出了出横梁面外弯曲问题的计算公式,并结合算例分析各种因素对横梁面外弯曲问题的影响。童登国等利用有限元分析,对连续钢桁梁节点铰接、节点刚接与考虑梁端刚域的情况进行了定量比较,发现节点刚性对位移和杆件轴力的计算影响不大,但对应力计算影响明显,并建议在设计中尽可能采用紧凑型节点设计。任伟平等对横梁与整体节点连接细节进行了足尺模型疲劳试验,发现整体节点连接在寿命期间内不会发生疲劳开
6、裂。乔晋飞等对整体节点的疲劳性能进行研究,提出一系列措施进一步改善节点的受力性能。门进杰等系统探讨了基于半刚性连接的 组合结构柱面钢板厚度、钢梁高度、翼缘宽厚比、柱混凝土强度和楼板厚度等构造措施参数对半刚性连接在循环荷载下抗弯承载力,以及初始转动刚度的影响。刘国龙对加劲悬索钢带与主桁连接处与钢带顶点与吊杆连接处节点进行了有限元分析,根据其受力形式和荷载传递路径选取合理的构造形式改善受力情况。虽然国内外学者对于钢桁梁的横梁节点连接问题进行了大量的研究,但是往往仅关注其面内或面外的受力特性,且缺乏各种措施对于主桁与横梁连接部位受力改善效果的系统研究。本文基于有限元仿真分析,研究了不同施工措施对某跨
7、航道简支钢桁梁桥横梁面外弯矩的影响;并建立了横梁与主桁连接部位的局部模型,对比了不同构造措施对其受力的改善程度。公路工程 卷 工程背景本研究选取某跨航道简支钢桁梁桥为工程背景,该桥跨越级通航河流,采用.下承式简支钢桁梁一跨过河,每幅钢桁梁设 条车道和 条人行道,主桥总体布置图与横断面图如图 和图 所示,采用纵横梁 混凝土桥面板体系。7 300 14=102 200图 总体布置图(单位:)(:).20090030025830501902 8201301 3453030206 19587.587.51 285300258301 345206 19587 587.51 285503030301 10
8、0图 桥梁横断面图(单位:)(:)横梁面外受力改善措施分析采用 建立全桥有限元模型,针对纵梁与主桁的纵向变形不一致而导致的横梁面外弯矩问题,采取纵梁滞后安装、跨中设置长圆孔来改善其受力性能。.纵梁滞后安装通过施工时纵梁滞后安装的措施来释放纵向变形,改善桥面系受力状态,见图。图 纵梁滞后安装方案 .设置长圆孔为了减小纵梁纵向伸缩移动对横梁的作用,可考虑在小纵梁与横梁连接处采用长圆孔变形性螺栓。长圆孔螺栓既可以有效地限制纵梁梁端的横向和竖向位移,又保证纵梁梁端可以沿着纵向伸缩移动,使由于纵向变形受限制而产生的横梁面外弯矩减小,从而改善桥面系受力,见图、图。图 长圆孔示意图(单位:)(:)图 长圆孔
9、设置 各种措施下的横梁最大面外弯矩见表。由表 可知,各种措施能一定程度降低恒载作用下的横梁面外弯矩值,其中长圆孔效果最佳,而考虑活载效应后,各种措施降低效果进一步降低。表 不同措施下端横梁最大横向弯矩 类别面外弯矩()减小百分比 原方案.恒载纵梁滞后安装.设置长圆孔.恒载 活载纵梁滞后安装.设置长圆孔.节点连接分析横梁面内弯矩会导致横梁与主桁连接部位应力水平过高,其与主桁连接受力较为复杂,需要对节点受力进行分析。.节点约束模拟若采用梁单元对局部模型进行模拟,则需精确模拟节点的约束情况。对于简支钢桁梁桥,横梁腹板通第 期傅晨曦,等:跨航道简支钢桁梁桥主桁节点与横梁连接性能研究 过两个角钢与主桁竖
10、杆连接,横梁下翼缘通过节点板和主桁下弦杆连接,而横梁上翼缘板并没有和主桁架竖杆直接相连接。这种处于铰接和刚接之间的半刚性连接,节点板的受力性能可用初始刚度来描述。国内外研究表明,对于带双腹板的顶底角钢半刚性梁柱连接模型,顶底角钢连接破坏时绕底角钢的一个临界点转动,而顶角钢则为梁端弯矩提供抗力,以顶角钢出现塑性破坏为极限状态。考虑顶角钢肢的剪切变形,与梁翼缘力 相应的顶角钢底面的水平位移可表示为:|.|()()式中:为与柱翼缘相连接顶角钢肢的抗弯刚度;为螺帽直径;为顶角钢厚度;为顶角钢底面至与柱面相连接肢上的铆钉或螺栓孔中心之间距离。根据变形协调和平衡条件,水平位移与转角之间的关系,以及连接弯矩
11、 与作用于顶角钢的力 之间的关系分别为:()()()式中:为顶底角钢肢中心点之间的距离;为顶角钢厚度;为底角钢厚度;为梁截面总高度。从以上公式中消去 和,可以得出初始连接刚度:(.)()式中:为与柱翼缘相连接顶角钢肢的抗弯刚度。为了验证该公式的适用性,按实际模型尺寸进行局部建模,采用 实体单元 模拟,泊松比取.,弹性模量为.,并按照实际位置建立螺栓孔和螺栓固定纵梁延伸断面和斜撑延伸断面,在局部模型中各杆件的断面中心建立一个节点,与断面上所有的节点耦合,用于施加模型的边界条件(见图、图)。为了模拟局部支座的支撑,在节点板下部建立厚度为 的支座。不同板件之间接触面通过设置 和 接触单元来模拟相互之
12、间的接触关系。在横梁断面上施加 的初始面内弯矩,利用其结果进行验证。为变形后的位移云图如图、图 所示。图 局部模型 图 边界条件模型 图 实体模型面内变形云图 图 实体模型离面位移云图 公路工程 卷由于理论公式中不考虑柱的变形,而实际节点计算中节点板的变形较大,为了消除节点板弯曲变形对转角的影响,提取出节点板上横梁的对应位置处的离面位移计算出其变形。为了分析弹性模量对结果模拟的影响,同时计算了.、.和.情况下的结果,见表。表 理论公式与有限元模型面内刚度对比 弹性模量 理论公式()有限元计算结果()相对误差.从表 可以看出,理论公式结果小于有限元软 件计算结果,这是因为该计算公式仅考虑腹板角钢
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