鉆桿組合梁力學(xué)性能研究

文 華 鄧勇軍 古 松

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621000)

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鉆桿組合梁力學(xué)性能研究

文 華 鄧勇軍 古 松

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621000)

通過(guò)對(duì)三根鉆桿和若干抱箍形成的單個(gè)鉆桿組合梁進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了鋼抱箍與鉆桿之間的相互作用關(guān)系，分析了各部分的受力特點(diǎn)，并結(jié)合設(shè)計(jì)要求，討論抱箍數(shù)量對(duì)單根構(gòu)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(gòu)件所需的抱箍數(shù)量，為鉆桿橋的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

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(jié)構(gòu)目前普遍采用的形式是現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式的簡(jiǎn)支梁橋，但對(duì)于現(xiàn)澆的上部結(jié)構(gòu)工序繁多，還有混凝土的養(yǎng)護(hù)也需要花費(fèi)大量時(shí)間，導(dǎo)致了前工程的工期較長(zhǎng)。鉆桿橋?yàn)槿b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(jī)械及大量人工即可實(shí)現(xiàn)橋梁的架設(shè)[2,]3〗。然而目前缺少關(guān)于鉆桿橋力學(xué)性能的研究，本文要做的就是對(duì)鉆桿組合梁力學(xué)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(gè)為一組，疊合起來(lái)形成一個(gè)“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?jī)蓚?cè)對(duì)稱焊接兩塊耳板作為一個(gè)抱箍連接件整體；拼裝時(shí)在抱箍連接件上焊接一定規(guī)格的槽鋼作為橫隔板；最后在橋面鋪設(shè)一定厚度的鋼板作為橋面鋼板。

本文針對(duì)三根鉆桿和若干抱箍形成的單個(gè)橋梁桿件進(jìn)行數(shù)值模擬，目的是為了解鋼抱箍與鉆桿之間的相互作用關(guān)系，分析各部分的受力特點(diǎn)，并結(jié)合設(shè)計(jì)要求，討論抱箍數(shù)量對(duì)單根構(gòu)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(gòu)件所需的抱箍數(shù)量，為鉆桿橋的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 鉆桿組合梁具體構(gòu)造

鉆桿組合梁是以三個(gè)長(zhǎng)度9.5 m，外徑140 mm，壁厚10 mm的廢舊鉆桿為一組，疊合起來(lái)形成一個(gè)“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(xué)特性數(shù)值模擬分析

在進(jìn)行抱箍數(shù)量及間距分析之前，首先對(duì)抱箍及鉆桿共同作用機(jī)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(kāi)始，向兩端等間距設(shè)置5個(gè)抱箍為分析對(duì)象(如圖2所示)，研究抱箍構(gòu)件中各組成部分的位移、變形、Von Misses應(yīng)力及應(yīng)變值。

2.1 Von Misses 應(yīng)力云圖

對(duì)于結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析來(lái)說(shuō)，我們分析后查看應(yīng)力，目的就在于確定該結(jié)構(gòu)的承載能力是否足夠。我們?cè)贏NSYS計(jì)算中得到的應(yīng)力，總是要和單軸破壞試驗(yàn)得到的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)的。而當(dāng)有限元模型本身是三維實(shí)體結(jié)構(gòu)，應(yīng)力分布要復(fù)雜得多，不能僅用單一方向上的應(yīng)力來(lái)代表結(jié)構(gòu)此處的確切應(yīng)力值，通常采用強(qiáng)度理論來(lái)判斷構(gòu)件的應(yīng)力值，根據(jù)材料的強(qiáng)度理論可知，對(duì)于鋼材這種塑性較強(qiáng)的實(shí)體結(jié)構(gòu)，通常根據(jù)第三、第四強(qiáng)度理論，查看項(xiàng)目為應(yīng)力強(qiáng)度(stress intensity)或Von Misses應(yīng)力，其中第四強(qiáng)度理論在鋼結(jié)構(gòu)分析中較為普遍，該理論認(rèn)為：彈性體在外力作用下產(chǎn)生變形，荷載做功，彈性體變形儲(chǔ)能，稱之為應(yīng)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(wú)論何種狀態(tài)，只要畸變能密度達(dá)到材料單向拉伸屈服時(shí)的畸變能密度，材料就屈服。

2.1.1 鉆桿

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

根據(jù)圖3所示，抱箍構(gòu)件在15 t的外荷載作用下，鉆桿整體應(yīng)力值較小，基本都處于彈性范圍內(nèi)，跨中應(yīng)力為132 MPa，應(yīng)力較大值出現(xiàn)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(xiàn)最大應(yīng)力值為266.3 MPa，已經(jīng)超過(guò)鋼材屈服強(qiáng)度235 MPa，根據(jù)分析，此處由于受支座約束影響，造成應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，故達(dá)到屈服狀態(tài)，并且在理想彈塑性模型中出現(xiàn)超過(guò)屈服應(yīng)力現(xiàn)象，可以認(rèn)為有以下兩個(gè)原因：1)由于MISE組合應(yīng)力計(jì)算方式導(dǎo)致的，即認(rèn)為組合應(yīng)力會(huì)超越單軸屈服極限應(yīng)力；2)由于Solid185單元積分點(diǎn)分布在單元內(nèi)部而不是單元節(jié)點(diǎn)上，計(jì)算時(shí)高斯積分點(diǎn)上的應(yīng)力是較為準(zhǔn)確的，而節(jié)點(diǎn)應(yīng)力是通過(guò)高斯積分點(diǎn)應(yīng)力向外差值得到的，可能出現(xiàn)超過(guò)積分點(diǎn)的應(yīng)力值。模擬過(guò)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?jī)筛@桿壓緊，表現(xiàn)為接觸位置應(yīng)力增大，而底部?jī)筛@桿由于在各自頂部壓力作用下，壓應(yīng)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(xiàn)向兩邊運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，應(yīng)力云圖上表現(xiàn)為二者之間接觸應(yīng)力減小，逐漸分離，底部鉆桿圓環(huán)內(nèi)部應(yīng)力增大。這說(shuō)明在外荷載作用下，底部鉆桿易發(fā)生水平方向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致三根鉆桿整體性效果減弱，從而說(shuō)明抱箍在該類構(gòu)件中的約束作用明顯。下面再通過(guò)鋼抱箍的應(yīng)力分析，說(shuō)明其在抱箍構(gòu)件中的作用，以及與鉆桿的相互工作機(jī)理。

2.1.2 鋼抱箍

根據(jù)圖4所示，抱箍構(gòu)件在外荷載作用下，中部鋼抱箍的應(yīng)力值最大，而靠近兩端支座處的鋼抱箍應(yīng)力依次減小，說(shuō)明在跨中集中力作用下，中部鋼抱箍受力最大，并且結(jié)合鉆桿的受力特點(diǎn)可知，鋼抱箍在整個(gè)抱箍構(gòu)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(dòng)分離，鋼抱箍主要承受環(huán)向拉應(yīng)力，而中部彎曲變形最大，導(dǎo)致中部鋼抱箍的應(yīng)力值最大。

模擬過(guò)程中從中部鋼抱箍在不同加載下Misess應(yīng)力云圖可以得到抱箍?jī)?nèi)部各處的應(yīng)力分布狀態(tài)，判斷鋼抱箍主要受力部位，分析其受力特點(diǎn)，在頂部集中荷載作用下，鋼抱箍最大拉應(yīng)力值出現(xiàn)在鋼抱箍與鉆桿交接處邊緣，這些部位被認(rèn)為是鋼抱箍的薄弱位置，在設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮，并且底部?jī)筛@桿與鋼抱箍接觸部位由于受到拉、壓等復(fù)雜應(yīng)力影響，該部位的應(yīng)力值也較大，而鋼抱箍與頂部鉆桿接觸位置主要以壓應(yīng)力為主，應(yīng)力值相對(duì)較小。

2.2 位移分析

構(gòu)件的位移反映了其在外荷載作用下的變形情況，根據(jù)變形判斷構(gòu)件是否滿足正常使用極限狀態(tài)要求，根據(jù)JT/T 728—2008裝配式公路鋼橋規(guī)范要求，對(duì)于裝配式橋梁其跨中最大容許撓度為L(zhǎng)/120(L為橋梁跨度)，故圖5a)給出抱箍構(gòu)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(guī)范要求66.7 mm(8 000 mm/120)。

圖5b)給出了下部?jī)筛@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?jī)筛@桿受到上部鉆桿斜向力作用發(fā)生水平位移，最大間距能達(dá)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(zhǎng)變形組成，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)考慮合理的設(shè)計(jì)外部鋼抱箍的尺寸以滿足變形需要。

3 結(jié)語(yǔ)

分析得出，抱箍構(gòu)件為典型的受彎構(gòu)件，在跨中集中荷載作用下，三根鉆桿為主要承力構(gòu)件，發(fā)生彎曲變形，且由于三根鉆桿形成組合構(gòu)件，在荷載作用下存在相互擠壓及剪切作用，故應(yīng)力最大值易出現(xiàn)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(huán)向拉應(yīng)力，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在與鉆桿接觸邊緣處，鋼抱箍與鉆桿接觸區(qū)域受復(fù)雜應(yīng)力影響，應(yīng)力值相對(duì)也較大，需引起注意。通過(guò)對(duì)鉆桿組合梁力學(xué)性能的研究，為鉆桿橋的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

[1]姚玲森.橋梁工程.北京：人民交通出版社，1988.

[2]JTG D60—2004，預(yù)制裝配整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范.

[3]徐關(guān)堯.裝配式橋梁的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).鋼結(jié)構(gòu)，1999,14(3)：47-49.

[4]JT/T 728—2008，裝配式公路鋼橋規(guī)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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