邊拱起吊吊耳局部受力有限元分析

張牧龍 張艷君

(1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410000； 2.國網江西省電力有限公司南昌供電分公司，江西 南昌 330000)

0 引言

隨著鋼箱拱橋建設規(guī)模的不斷增大，越來越多的設計和施工問題在鋼箱拱橋的吊裝過程中遇到。邊拱起吊吊耳結構設計直接影響鋼箱拱肋在吊裝施工過程中的可靠性和安全性，但是邊拱起吊吊耳作為局部受力構件，其受力狀態(tài)復雜，吊耳板孔在銷軸擠壓作用下或吊耳與鋼箱梁表面焊接強度不足均易導致吊耳失效[1-3]。

目前吊耳強度的計算主要采用理論方法加經驗公式驗算的方法。主要包括：吊耳各危險截面強度校核、吊耳孔與插銷擠壓強度和焊縫強度校核三方面。例如，劉玉貴等[4]借助ABAQUS軟件對吊耳結構的接觸強度進行研究，依據(jù)鋼箱梁外形特點及受力情況，提出了吊耳相應的改進措施。雖然有限元分析計算技術在吊耳強度計算中得到了一定的應用，但是很少有學者采用Midas Fea有限元分析軟件去分析邊拱起吊吊耳在均布荷載作用下的變形受力規(guī)律。

1 工程概況

項目位于淮南市壽縣，橋梁線路呈東向西走向，是新橋國際產業(yè)園西向的出城口道路。新橋大橋全長726 m，橋跨布置為：3.0 m(橋臺)+300 m(預制箱梁)+150 m(斜跨拱)+270 m(預制箱梁)+3.0 m(橋臺)，其中主橋跨越規(guī)劃江淮運河河道。主橋為斜跨鋼箱拱橋，主梁跨徑為150 m，鋼箱拱跨徑為170 m，矢跨比為0.381 9，主拱軸線與橋梁縱向水平面夾角為25°，主梁法線方向與規(guī)劃江淮運河中心線夾角為18.69°，通航孔及規(guī)劃江淮運河河道由主橋一跨跨越。

為了更加詳細了解大橋邊拱局部構造的位移和應力分布情況，對邊拱起吊吊耳、中拱起吊吊耳和拱腳處構造進行詳細的受力有限元分析。邊拱起吊吊耳鋼材為Q345qD，板厚20 mm，吊耳孔內半徑50 mm，外半徑為140 mm，吊耳孔兩側焊接矩形鋼板進行加強，矩形鋼板厚度20 mm，高度240 mm，長度500 mm，鋼板水平間距340 mm，拱肋頂板與臨時板式吊耳連接采用雙面坡口全熔透焊接。邊拱起吊吊耳與拱肋連接處構造的正視圖和側視圖如圖1所示。

2 三維有限元模型建立

為了減少邊拱起吊吊耳與拱肋連接處受力狀態(tài)分析問題的建模難度，本文對邊拱起吊吊耳與拱肋連接處有限元分析模型作出了如下計算假定：

1)假設模型不考慮構件連接處焊縫對邊拱起吊吊耳的受力影響；

2)假設模型采用的材料為均勻、連續(xù)、彈性和各向同性的介質；

3)假設模型不考慮邊拱起吊吊耳與拱肋的相對滑動；

為了很好地消除邊界效應對研究對象的影響及滿足圣維南原理的要求，本文模型的邊界范圍：拱肋沿著拱軸線的長度為10 m，寬度為5 m，高度為0.03 m。模型中邊拱起吊吊耳、鋼板與拱肋的材料采用Q345qD鋼材，彈性模量為206 000 MPa，泊松比取0.3，重度78.5，線膨脹系數(shù)為0.000 012。模型網格類型采用六面體單元，網格劃分尺寸為0.01 m。網格劃分后共有30 107個節(jié)點，22 841個單元，網格劃分后的效果如圖2所示。

為了模擬拱肋與吊耳的相互作用，本模型在拱肋底部采用了約束X向、Y向、Z向位移的固定邊界。本工程在實際施工中是將銷軸插入吊耳孔，然后再通過提升銷軸使邊拱達到預定的位置，所以模型中的荷載主要考慮邊拱起吊吊耳孔上半周的均布面壓力荷載，提升力大小為3 077 kN。

3 模型計算結果分析

3.1 模型位移分析

以邊拱起吊吊耳模型的位移為研究對象。分別給出了邊拱起吊吊耳的總位移和邊拱起吊吊耳孔豎向節(jié)點坐標位移圖。

從圖3可以看出，邊拱起吊吊耳總位移最大值為1.037 mm，位于邊拱起吊吊耳孔后側面正上方2108號節(jié)點處；計算得到邊拱起吊吊耳水平位移最大值為0.064 mm，位于邊拱起吊吊耳左側鋼板1834號節(jié)點處；邊拱起吊吊耳軸向位移最大值為0.231 mm，位于邊拱起吊吊耳孔后側面左側2108號節(jié)點處；邊拱起吊吊耳豎向位移最大值為1.037 mm，位于邊拱起吊吊耳孔后側面正上方2108號節(jié)點處。因此，邊拱起吊吊耳在壓力荷載作用下產生的主要位移為豎向位移，邊拱起吊吊耳變形監(jiān)測中應重點關注豎向位移的變化。

3.2 模型應力分析

為了研究模型中邊拱起吊吊耳模型應力的分布規(guī)律，以邊拱起吊吊耳模型的位移為研究對象。圖4分別給出了邊拱起吊吊耳Von Mises等效應力、最大剪應力的分布云圖。

可以看出，邊拱起吊吊耳Von Mises等效應力的主要分布區(qū)間為0 MPa～105.644 MPa，其最大值為169.03 MPa，位于邊拱起吊吊耳孔前側面左側1506號單元處；邊拱起吊吊耳最大剪應力的主要分布區(qū)間為0 MPa～60.985 MPa，其最大值為97.575 MPa，位于邊拱起吊吊耳孔前側面左側1506號單元處。邊拱起吊吊耳的等效應力未超過Q345qD的抗拉和抗壓強度設計值250 MPa，其最大剪應力也未超過Q345qD的抗剪強度設計值145 MPa，不需要再采取加固補強的構造措施，邊拱起吊吊耳與拱肋連接處構造設計能滿足強度要求。

4 結語

基于新橋大橋的工程背景和中拱起吊吊耳的局部構造設計，本章采用Midas Fea有限元軟件，建立了邊拱起吊吊耳局部受力有限元分析模型，得到了位移和應力計算結果，通過對邊拱起吊吊耳模型位移和應力結果的分析表明：

1)邊拱起吊吊耳模型在面壓力荷載作用下產生的主要位移為豎向位移，邊拱起吊吊耳變形監(jiān)測中應重點關注豎向位移的變化。

2)邊拱起吊吊耳模型的等效應力和最大剪應力均未超過Q345qD鋼材的抗拉和抗壓強度設計值，該吊耳不需要再采取加固補強的構造措施，邊拱起吊吊耳與拱肋連接處構造設計能滿足工程安全所需要的強度要求。