潤揚(yáng)懸索橋扁平鋼箱梁局部應(yīng)力的測試與分析

1、第37卷第2期2007年3月東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版JOURNAL O F SOU THEAST UN I V ERS ITY (N atural Science Edition V ol 137N o 12M ar . 2007潤揚(yáng)懸索橋扁平鋼箱梁局部應(yīng)力的測試與分析劉毅李愛群丁幼亮趙大亮(東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京210096摘要:為了計(jì)算鋼箱梁的局部應(yīng)力并與現(xiàn)場實(shí)測進(jìn)行對比分析, 基于子模型法提出了大跨懸索橋扁平鋼箱梁應(yīng)力分析的數(shù)值計(jì)算方法. 以潤揚(yáng)懸索橋?yàn)槔? 建立全橋的整體結(jié)構(gòu)尺度模型, 并通過成橋試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性. 選取跨中鋼箱梁建立局部構(gòu)件尺

2、度的精細(xì)模型. 在局部模型的切割邊界, 應(yīng)用子模型法銜接兩尺度模型進(jìn)行鋼箱梁局部應(yīng)力的數(shù)值計(jì)算, 并與成橋靜載試驗(yàn)的測試結(jié)果進(jìn)行了對比分析. 在此基礎(chǔ)之上, 系統(tǒng)地總結(jié)了大跨懸索橋鋼箱梁結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下的工作行為和受力性能. 結(jié)果表明, 鋼箱梁頂板U 形肋存在較大的應(yīng)力變化幅值, 應(yīng)作為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與疲勞狀態(tài)評估的重點(diǎn)構(gòu)件.關(guān)鍵詞:懸索橋; 鋼箱梁; 應(yīng)力分析; 子模型法中圖分類號(hào):U 448127; TU 311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A :1001-0220275205Co mput ati onal and m of fl atof on Br i dgeL L i iqun D ing You

3、 liang Zhao D aliang(Key L aboratory of and Prestressed Concrete S tructures of M inistry of Education, Southeast U niversity, N anjing 210096, China Abstract:A num erical calculation m ethod based on subm odeling technique is p resen ted for the stressanalysis and its experi m ental verification of

4、 steel 2box 2g irder of long 2span Susp ension B ridges . The R unyang suspension b ridge w as taken as a case study to estab lish a g lobal 2scale m odel firstly . The accuracy of the m odel w as validated by tests . Then, a p recise local 2scale m odel of selected details w as constructed . The co

5、m putation of stress w as conducted by connecting these t w o m odels using the subm odeling technique, and the results w ere com pared w ith the experi m ental ones . B ased on this, the m echanical characteristics of flat steel 2box 2girder under vehicle loads w ere further summ arized . R esult s

6、how s that, the U 2shape ribs are of critical i m po rtance in structural health m onitoring and fa 2tigue assess m ent because of its large range of stress variation .Key words:suspension bridge; steel 2box 2girder ; stress analysis; subm odeling techn ique收稿日期:2006210230.基金項(xiàng)目:教育部高等學(xué)?？萍紕?chuàng)新工程重大項(xiàng)目培育資金

7、資助項(xiàng)目(704024 、國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃 資助項(xiàng)目(2006AA 04Z 416 、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(50538020 .作者簡介:劉毅(1980 , 男, 博士生; 李愛群(聯(lián)系人 , 男, 博士,教授, 博士生導(dǎo)師, aiqunli seu . edu . cn .自1966年英國塞文橋首次采用全焊正交異性板流線型扁平鋼箱梁代替桁架式加勁梁以來, 具有良好氣動(dòng)性能的扁平鋼箱梁技術(shù)逐漸得到了推廣和應(yīng)用. 我國近年來所建成的大跨度懸索橋、斜拉橋的主梁多采用該形式. 扁平鋼箱梁構(gòu)造復(fù)雜, 加勁肋、縱橫隔板布置密集, 加之大跨度橋梁體量巨大, 目前的計(jì)算技術(shù)很難將整

8、個(gè)鋼箱梁及其加勁肋全部采用殼單元精細(xì)模擬, 從而一次計(jì)算得到鋼箱梁的應(yīng)力分布情況1. 因而, 如何建立扁平鋼箱梁空間應(yīng)力分析的計(jì)算方法, 用以準(zhǔn)確模擬鋼箱梁在車輛荷載作用下的工作行為和受力性能, 既是大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與狀態(tài)評估的基礎(chǔ)理論問題, 也是扁平鋼箱梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要理論基礎(chǔ)2-3. 本文以潤揚(yáng)長江公路大橋南汊懸索橋(潤揚(yáng)懸索橋 扁平鋼箱梁為分析對象, 研究了鋼箱梁局部應(yīng)力的計(jì)算方法, 并對比成橋靜載試驗(yàn)的測試結(jié)果驗(yàn)證了該計(jì)算方法的準(zhǔn)確性和有效性. 最后在此基礎(chǔ)之上, 系統(tǒng)地總結(jié)了大跨懸索橋扁平鋼箱梁在車輛荷載作用下的工作行為和受力性能.1計(jì)算方法與計(jì)算模型111計(jì)算方法扁平鋼箱梁

9、局部應(yīng)力的計(jì)算分析采用分3個(gè)體系計(jì)算應(yīng)力, 近似疊加求總應(yīng)力的方法4, 即:第一體系為整體承重結(jié)構(gòu)體系, 通常采用桿系模型, 按照法向應(yīng)變在桿件截面的分布規(guī)律計(jì)算各構(gòu)件各點(diǎn)的應(yīng)力; 第二體系為橋面體系(正交異性板系統(tǒng) , 包含橋面板、縱向加勁肋和橫梁等, 通常采用P 2E 法按正交異性板進(jìn)行等效計(jì)算; 第三體系為鋼橋面板, 將作用在肋間的局部荷載傳遞給各加勁肋, 采用彈性薄板理論進(jìn)行計(jì)算. 上述3個(gè)體系的劃分有助于設(shè)計(jì)人員從受力機(jī)理上把握鋼箱梁的工作性能, 但對于精細(xì)分析鋼箱梁局部應(yīng)力分布和關(guān)鍵構(gòu)件疲勞損傷累積卻存在著很大的不足5.為了能全面、細(xì)致地模擬鋼箱梁在車輛荷載作用下的工作行為和受力性

10、能, , 6. , 全橋采時(shí), 如何將桿系單元與殼單元在切割邊界上進(jìn)行有效銜接, 將直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性7.本文針對以上情況, 將扁平鋼箱梁局部應(yīng)力的計(jì)算分為2個(gè)結(jié)構(gòu)體系來進(jìn)行:1 第一體系為整體結(jié)構(gòu)尺度模型為了避免桿系單元與殼單元邊界條件的自由度匹配難題, 整體模型采用僅簡化加勁肋的方法, 運(yùn)用正交異性殼單元對鋼箱梁各構(gòu)件進(jìn)行等效, 保留鋼箱梁的空間箱形構(gòu)造特點(diǎn).2 第二體系為局部構(gòu)件尺度模型采用殼單元精細(xì)模擬扁平鋼箱梁的頂板、底板、腹板、橫隔板、U 形加勁肋和偏球頭鋼加勁肋等.由于以上2個(gè)體系均采用殼單元來模擬鋼箱梁, 用子模型法8-9即可進(jìn)行2個(gè)模型間跨尺度的有效銜接. 子模型法的

11、實(shí)質(zhì)是局部精細(xì)模型的二次計(jì)算, 其基本過程是首先用較粗的單元網(wǎng)格劃分對整體模型進(jìn)行計(jì)算, 然后建立需詳細(xì)分析區(qū)域的網(wǎng)格劃分較細(xì)的子模型, 子模型的邊界條件由相應(yīng)位置整體模型的節(jié)點(diǎn)位移插值確定, 最后對子模型進(jìn)行計(jì)算分析. 根據(jù)圣維南原理, 只要所分析的區(qū)域適當(dāng)遠(yuǎn)離切割邊界, 局部模型內(nèi)就可以得到較精確的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果.112計(jì)算模型潤揚(yáng)懸索橋是由南汊懸索橋和北汊斜拉橋組合而成的特大型纜索支承型橋梁, 南汊懸索橋?yàn)橹骺?490m 的單跨雙鉸簡支鋼箱梁橋, 其整體布置如圖1所示. 潤揚(yáng)懸索橋橋面采用全焊流線型扁平鋼箱梁, 其截面如圖2所示. 鋼箱梁主體結(jié)構(gòu)采用Q 3452D 鋼, 梁高(中心線處內(nèi)輪

12、廓 310m , 總寬(至檢修道翼緣尖角 3817m. 箱梁頂板厚14mm , 上斜腹板厚12mm , 底板及下斜腹板厚10mm , U 形加勁肋板厚6mm , 偏球頭鋼加勁肋厚10mm , 橫隔板間距3122m , 吊索處橫隔板板厚10mm , 非吊索處8 mm.圖1:cm 圖2鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面結(jié)構(gòu)圖(單位:cm 圖3潤揚(yáng)懸索橋整體結(jié)構(gòu)尺度模型潤揚(yáng)懸索橋整體結(jié)構(gòu)尺度模型采用僅簡化鋼箱梁加勁肋的方法, 運(yùn)用正交異性殼單元對鋼箱梁各構(gòu)件進(jìn)行等效(見圖3 , 橋面離散為14074個(gè)殼單元. 正交異性殼單元等效鋼箱梁各構(gòu)件的原則是:局部板2個(gè)正交方向的單位寬度抗彎剛度與實(shí)際結(jié)構(gòu)等效; 殼平面內(nèi)的橫向

13、抗彎剛度與實(shí)際結(jié)構(gòu)等效; 殼平面內(nèi)的剪切剛度與實(shí)際結(jié)構(gòu)等效. 為了驗(yàn)證正交異性殼單元的計(jì)算精度, 將該整體模型橋面系的模態(tài)分析結(jié)果與成橋試驗(yàn)橋面系模態(tài)測試結(jié)果進(jìn)行了對比, 兩者前10階模態(tài)頻率最大相對誤差和平均相對誤差分別為5190%和2190%, 模態(tài)振型的最小M A C (m odal assurance672東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 第37卷criterion 值和平均M A C 值分別為01871和0195610. 對比表明, 本文建立的潤揚(yáng)懸索橋整體結(jié)構(gòu)尺度模型具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性, 從而為扁平鋼箱梁局部應(yīng)力分析的子模型提供了便于應(yīng)用的整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)描述.扁平鋼箱梁局部構(gòu)件尺度模型

14、根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙對頂板、底板、腹板、橫隔板、U 形加勁肋和偏球頭鋼加勁肋等采用殼單元進(jìn)行精細(xì)建模, 其邊界條件由整體模型相應(yīng)切割位置的節(jié)點(diǎn)位移插值確定. 根據(jù)潤揚(yáng)懸索橋成橋試驗(yàn)加載車輛以及測點(diǎn)位置的布置, 取跨中梁段(19132m 建立局部精細(xì)模型如圖4所示, 梁段總計(jì)離散為40416個(gè)殼單元 .圖42計(jì)算結(jié)果與分析潤揚(yáng)懸索橋于2005年5月通車之前完成了成橋靜動(dòng)載試驗(yàn)10 . 為了解扁平鋼箱梁在車輛荷載作用下的應(yīng)力狀況, 試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了2個(gè)車輛間距較密的加載工況用于局部應(yīng)力測試. 加載車輛自重30 t, 前軸6 t, 中軸、后軸均為12t (見表1 . 扁平鋼箱梁頂板、底板和U 形加勁肋的測點(diǎn)位于

15、跨中橫隔板以南1161m 處(鎮(zhèn)江側(cè) , 是兩橫隔板間的跨中位置. 局部應(yīng)力的測量, 采用電阻應(yīng)變片先測出測點(diǎn)處的應(yīng)變, 再根據(jù)材料物理性質(zhì)算出應(yīng)力增量的方法來進(jìn)行. 本文的理論計(jì)算值采用上述2個(gè)體系分析方法, 計(jì)算了2種工況測試斷面處的應(yīng)力響應(yīng), 與實(shí)測值進(jìn)行了對比分析, 在此基礎(chǔ)之上總結(jié). 2. 15(a (b 和工況2作用(單位:cm 工況加載位置加載圖示工況1跨中截面附近, 16輛車4列4行, 行距9. 6m , 橫橋向?qū)ΨQ工況2工況1所有車隊(duì)向前移動(dòng)1. 61m圖5頂板正應(yīng)力橫橋向分布圖的橫向分布圖. 可以看出, 頂板各測點(diǎn)處的應(yīng)力測試值與計(jì)算值吻合良好. 從計(jì)算值和實(shí)測值的分布來看

16、, 頂板順橋向彎曲正應(yīng)力的絕對值沿梁寬由兩側(cè)向中央均勻地增加, 呈現(xiàn)出較平緩的盆形分布曲線. 產(chǎn)生這一分布特點(diǎn)的原因是:懸索橋鋼箱梁在吊點(diǎn)處僅承受吊索豎直向上的作用力, 其他各處在重力和車輛荷載的作用下, 離吊點(diǎn)愈遠(yuǎn), 局部彎沉愈大, 因而彎曲正應(yīng)力愈大; 頂板橫坡的影響, 使得中央頂板離開箱梁斷面中性軸的距離較其他部位大, 根據(jù)平截面假定, 因而正應(yīng)力的絕對值也較大. 工況2較工況1的盆形曲線更平緩, 這是因?yàn)檐囕v前移后鋼箱梁局部彎沉也隨之減小所造成的. 圖5(a 中可以明顯看出測試截面區(qū)域沿梁寬布置的4列車載, 且車載作用位置的頂板正應(yīng)力明顯大于相鄰無直接荷載的頂板. 這說明頂板的作用相當(dāng)

17、于單向板, 將車輛荷載的直接作用傳遞至最近的U 形肋, 其單向板短邊長度為U 形肋的間距或U 形肋的上口寬度. 因此, 在圖5(a 中可以看到車輛荷載作用引起的尖角范圍僅限于U 形肋之772第2期劉毅, 等:潤揚(yáng)懸索橋扁平鋼箱梁局部應(yīng)力的測試與分析間, 衰減迅速.下面進(jìn)一步考察車輛荷載作用對頂板應(yīng)力沿橋縱向的局部影響范圍, 車載作用位置上的頂板正應(yīng)力順橋向分布如圖6(a 、(b 所示(圖中x 表示離箱梁中心線的距離 . 可以看出隨著車輛的前移, 最大壓應(yīng)力位置的變化. 圖6(a 中應(yīng)力分布尖角的位置對應(yīng)加載車輛的后軸(-1161m 處 , 圖6(b 中應(yīng)力分布尖角的位置對應(yīng)加載車輛的中軸(11

18、61m 處 . 由于橫隔板的彈性支承作用, 車輛荷載對頂板應(yīng)力的局部影響范圍僅限于兩橫隔板之間 .圖6頂板正應(yīng)力順橋向分布圖212頂板U 形肋正應(yīng)力分析圖7(a 、(b 分別為加載工況1和工況2作用下, 跨中測試斷面處頂板U 形肋下緣順橋向彎曲正應(yīng)力沿梁寬的橫向分布圖. 可以看出, 頂板U 形肋下緣各測點(diǎn)處的應(yīng)力測試值與計(jì)算值吻合良好. 由2. 1節(jié)的分析可知, 頂板的作用類似于單向板, 將車輪的直接作用傳遞至U 形肋. 而U 形肋及其上口頂板則相當(dāng)于箱形小梁, 將作用力傳遞至兩側(cè)的橫隔板. 從圖7(a 中可見, U 形肋下緣正應(yīng)力在4列車輛作用位置處由受壓轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾? 且受拉區(qū)域僅限于離車載

19、作用位置最近的U 形肋, 車載作用的局部效應(yīng)十分明顯. 圖7(b 表示的工況2中, 盡管車輛作用位置已經(jīng)移開測試斷面, 但是車載作用線上的U 形肋應(yīng)力仍然明顯大于相鄰U 形肋, 局部效應(yīng)依然明顯.下面進(jìn)一步分析車輛荷載作用下U 形肋正應(yīng)力順橋向分布規(guī)律, 如圖8(a 、(b 所示, 最大壓應(yīng)力分別出現(xiàn)在-3122m 和3122m 橫隔板位置, 最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在-1161m 和1161m 車載位置處, 其他橫隔板位置和車載作用位置均有尖角出現(xiàn). U 形肋正應(yīng)力順橋向分布的這種規(guī)律, 體現(xiàn)了圖7頂板U 形肋正應(yīng)力橫橋向分布圖同影響. 動(dòng), , . 由此可見, 頂板U 形肋及、橫隔板的連接部位存在著

20、較大的拉壓應(yīng)力的變化幅度, 應(yīng)作為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)變計(jì)輸出應(yīng)變時(shí)程, 進(jìn)而實(shí)施疲勞狀態(tài)評估的重點(diǎn)構(gòu)件 .圖8頂板U 形肋正應(yīng)力順橋向分布圖2. 3底板正應(yīng)力分析圖9(a 、(b 分別為工況1和工況2時(shí), 測試斷面上底板順橋向彎曲正應(yīng)力沿梁寬的橫向分布圖. 從圖中可以看出, 底板正應(yīng)力的分布比較均勻, 2次不同加載工況的實(shí)測值、計(jì)算值僅有微小的差別, 呈現(xiàn)出更為平緩的盆形分布曲線. 出現(xiàn)這種分872東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 第37卷布規(guī)律的原因?yàn)?底板水平無橫坡, 離鋼箱梁中性軸的距離相同使得應(yīng)力分布曲線更為平緩; 底板上不存在車載的直接作用力, 因而正應(yīng)力分布就不受車輛荷載作用局部效應(yīng)的影

21、響. 因此, 本文不再分析底板正應(yīng)力沿橋縱向的分布情況 .圖9底板正應(yīng)力橫橋向分布圖3結(jié)語重要理論問題, . 本文以潤揚(yáng)懸索橋扁平鋼箱梁為分析對象, 探討了采用子模型法銜接整體結(jié)構(gòu)尺度模型和局部構(gòu)件尺度模型計(jì)算局部應(yīng)力的方法, 并將理論計(jì)算結(jié)果與成橋靜載試驗(yàn)的測試結(jié)果進(jìn)行了對比分析. 結(jié)果表明, 該計(jì)算方法能準(zhǔn)確、細(xì)致地計(jì)算鋼箱梁在車輛荷載作用下的應(yīng)力響應(yīng), 從而為進(jìn)一步開展鋼箱梁疲勞狀態(tài)評估建立了行之有效的計(jì)算方法和計(jì)算模型. 此外, 局部應(yīng)力分析結(jié)果表明, 扁平鋼箱梁的U 形肋在車輛荷載作用下由于橫隔板的彈性約束作用存在著明顯的局部應(yīng)力效應(yīng), 應(yīng)作為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與疲勞狀態(tài)評估的重點(diǎn)構(gòu)件.致

22、謝:作者衷心感謝江蘇省長江公路大橋建設(shè)指揮部、同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系的工程師和老師們在潤揚(yáng)大橋成橋試驗(yàn)中給予的大力幫助與支持!參考文獻(xiàn)(References1C han T H T, G uo L , L i Z X. Finite elem ent m odelingfor fatigue stress analysis of large suspension bridges J .J ourna l of Sound and V ibra tion, 2003, 261(3 :443-464.2W ong K Y, C han W Y K, M an K L. The use of struc

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