鋼桁梁棧橋節點連接處理及有限元分析

鄒 寧

(中鐵十四局集團第二工程有限公司,山東 泰安 271000)

鋼桁梁結構輕、跨越能力強,被廣泛應用于鐵路橋梁中。施工中各構件連接時多采用螺栓連接或焊接,當前流行的各類結構計算軟件可以快速建立各種橋型,各種單元屬性(如桿件截面、材質)、荷載(如自重、風荷載、施工荷載、行車荷載等)均能較真實地進行模擬,但模型中各類邊界條件(如與支座剛接、鉸接)、節點連接(如桿件間彈性連接、剛性連接、端部約束釋放比例等)的處理往往比較復雜,如處理不好,運行結果會與實際情況大相徑庭,造成一定的安全隱患,嚴重時會引發事故。針對節點連接的處理,多位科技工作者對此進行了研究:陶友海[1]介紹了Midas/Civil軟件準確模擬受力進行現澆支架計算的過程,包括邊界條件設定、荷載處理和結構分組辦法等;陳麗英[2]通過Midas/Civil程序,對連續梁三角形掛籃結構進行空間建模分析計算,模擬了各工況下各桿件的應力,準確確定了整體變形情況,降低了計算難度,增強了計算分析的系統性和準確性;劉燕[3]等通過ABAQUS有限元軟件建立了節點精細化有限元模型,進行了節點在拉力作用下的靜力性能分析,提出了節點設計的建議取值;王禹[4]分析了Midas Gen在框架節點剛域方面的技術細節,并通過實際的算例比較分析考慮剛域與削峰處理對節點內力值選取的影響,為地鐵車站結構設計中合理選取內力值提供借鑒。本文結合工程實例介紹了鋼桁梁棧橋節點連接的處理,并通過實測驗證了連接處理的科學性。

1 工程案例

新長鐵路通揚運河大橋位于南通市,中間為1-48 m鋼桁梁,兩側各為1-32 m預應力混凝土簡支T梁,目前該橋已廢棄,坐落位置如圖1所示。鋼桁梁計算跨度48 m,共6個節間,桁高11 m。現擬將其作為便橋使用,供罐車通過,須進行受力計算以驗證其通過能力及安全性。鋼桁梁縱向設計有2片主梁,間距2.0 m,其上為軌枕,現軌枕部分已拆除(橋梁現狀如圖2所示)。

圖1 通揚運河大橋位置圖2 梁頂面現狀

為滿足罐車通過要求,在縱向主梁外側各增加3片I20補強縱梁,頂部與原縱梁平齊;縱梁上橫向鋪設分配梁,分配梁與縱梁通過U型螺栓連接;最后縱向鋪反扣槽鋼做橋面,槽鋼與分配梁焊接連接。棧橋結構布置形式如圖3、圖4所示。

圖3 鋼棧橋結構(單位:mm)

圖4 鋼棧橋橫斷面(單位:mm)

2 荷載分析

2.1 基本參數

根據設計文件,原鋼桁梁采用16Mnq鋼材制作,新增的補強縱梁及橫向分配梁、橋面槽鋼均采用 Q235鋼材制作。根據相關規范[5]規定,鋼材力學參數見表1。考慮到該鋼橋已建成20余a,鋼材材質可能退化,為安全起見,由專業鑒定機構對鋼材性能進行鑒定,鑒定項目包括防腐層、桿件變形、節點連接、裂縫、橋面平整度、螺栓松動情況等。鑒定結論為:防腐層破損引起桿件表面輕微銹蝕,桿件無超限變形,節點螺栓連接可靠,可繼續使用,但應考慮截面削弱影響,建議桿件截面按縮小1～2 mm計取。

表1 鋼材力學參數

2.2 荷載取值

主要考慮車輛荷載。車輛荷載:單車道布置,活載為100 t罐車(包括自重及載重),荷載分布如圖5所示;車輛荷載考慮沖擊系數,移動荷載分析控制數據如圖6所示。

圖5 車輛荷載分布圖6 移動荷載分析控制

3 模型分析

3.1 桿件截面參數

由于該橋已建成20 a左右,廢棄后未維護保養,桿件存在不同程度的銹蝕,主縱梁由于拆除軌道時防銹漆被破壞、上翼緣約銹蝕2 mm,其他桿件銹蝕較輕,約銹蝕1 mm。各桿件截面取考慮銹蝕后的凈值,截面參數如表2所示。

表2 桿件凈截面參數 m

3.2 建立模型

3.2.1 邊界條件

利用MIDAS/Civil建立鋼桁梁有限元模型。各構件連接形式各異,受約束條件不一,應根據實際情況進行模擬。處理各桿件的連接方式如圖7所示,其邊界條件設置分別為:

圖7 各桿件連接方式

(1)如圖7(a)所示,橫梁高度范圍內與主橋豎桿通過角鋼連接,豎桿主要產生平面外彎曲,將橫梁端部處理為截面中心與上、下翼緣之間“剛性連接”。

(2)如圖7(b)所示,水平聯結系與縱梁上翼緣相連,縱梁用與其截面中心重合的梁單元模擬,模型中這些桿件不共節點,用“剛性連接”模擬這種空間連接作用。

(3)如圖7(c)所示,新增設的補強縱梁與原橫梁采用全熔透焊接,連接處設置加勁肋,用“剛性連接”模擬這種連接作用。

(4)如圖7(d)所示,制動撐架通過節點板與主縱橫梁下翼緣連接,存在偏心,用“剛性連接”模擬。

(5)如圖7(e)所示,通過U型螺栓連接,用“彈性連接-剛性”模擬這種連接。

(6)如圖7(f)所示,根據實際罐車輪胎尺寸,單側輪胎范圍內橫向僅3根槽鋼受力,軟件無法自動將輪壓加載在輪胎范圍內的縱向槽鋼上,需要設置一條虛擬車道,將移動荷載加載在虛擬車道上,再將虛擬車道上每個主節點與6根縱向槽鋼設置剛性連接。縱向橋面槽鋼與虛擬車道之間設置為“剛性連接”,僅考慮豎向自由度,模擬車輛活載向橋面的傳遞。剛性連接使得虛擬車道有豎向線位移約束,為防止計算過程出現奇異,對虛擬車道施加縱向、橫向線位移和繞縱向的“轉動節點彈性支撐”,這些約束剛度極小,不影響整體計算結果。

(7)如圖7(g)所示,板鉸在橫向和豎向約束作用均較強,而縱向約束較弱,用橫向和豎向的“剛性連接”模擬這種板鉸結構。

(8)如圖7(h)所示,橋門架上橫撐和上平縱聯端橫撐之間通過3塊鋼板連接,用“剛性連接”模擬這種鋼板連接。

(9)如圖7(i)所示,全橋共4處支座,與橋臺預埋鋼板焊接。整體結構支承約束設置有三個原則:4個支座均設置豎向約束,只有一端設置縱向約束,只有一側設置橫向約束。

(10)如圖7(j)所示,全部桿件均為梁單元,端橫梁端部上翼緣與下弦端節點板頂部通過拼接板連接,豎向抗彎能力較強;中間橫梁端部腹板通過兩個角鋼與主豎桿相連,下翼緣板通過節點板與主橋下弦桿連接,而橫梁上翼緣板未與主豎桿直接連接。若采用完全約束的梁單元建模,這些部位結果會存在較大誤差,采用“釋放梁端約束”的方法,在一定程度上消除這種誤差。端橫梁僅釋放繞水平彎曲約束,中間橫梁釋放水平彎曲和豎彎約束,根據經驗,殘留約束比例取0.8。

3.2.2 整體模型

采用MIDAS/Civil2021進行整體動力分析,建立原鋼桁梁、補強縱梁、工字鋼橫梁、橋面槽鋼組成的空間整體模型,構件均采用梁單元模擬。除原鋼桁梁采用16Mnq材質外,其余構件采用Q235鋼材。該橋整體計算模型如圖8所示。

圖8 鋼棧橋整體模型

計算工況為罐車沿橋面中心行駛,單側輪胎著地尺寸為0.2 m×0.6 m,單側輪胎范圍內橫向有3根槽鋼受力。

4 計算結果

由于該橋建成多年,已處于穩定狀態,且因監測到的活載變形和應力增量反映的是活載作用效應,所以在此僅考慮活載影響,只進行移動荷載單工況下的計算分析。

4.1 強度驗算

(1)主桁架應力計算結果如圖9所示,σmax=57.8 MPa<[σ]=210 MPa,滿足要求。

圖9 主桁架應力(單位:MPa)

(2)補強縱梁(I20a)每側3道,間距400 mm,應力計算結果如圖10所示。σmax=107.2 MPa<[σ]=140 MPa,滿足要求。

圖10 補強縱梁組合應力(單位:MPa)

4.2 剛度驗算

鋼桁梁跨度48 m,主縱梁變形如圖11所示,最大豎向變形:fmax=14.2 mm

圖11 結構整體變形(單位:mm)圖12 補強縱梁變形(單位:mm)

5 與觀測值比較

5.1 測試元件安裝

在鋼桁梁各桿件典型位置安裝應變片,位置如圖13所示。

圖13 各桿件應變元件安裝位置

5.2 結果比較

棧橋改造完成并通車2個月后,選擇無風天氣,進行實際值觀測。應力通過粘貼的應變片反映,變形通過全站儀測量。將計算值與實際觀測值進行比較,統計結果如表3和表4所示。

表3 最大變形計算值與實測值比較

表4 應力計算值與實測值比較

通過計算發現,原鋼桁梁除主縱梁外受力均較小,梁最大應力出現在中間節間的主縱梁上;橫向分配梁最大應力出現在與原主縱梁相交的支座處;各桿件實測變形值均小于計算值,最大變形位于主縱梁上,新增構件變形均較小。

6 結論

(1)移動荷載單工況下應力及變形的計算結果與實測值較為吻合,說明各節點連接及邊界條件的處理較為合理。通過對不同節點連接形式采取合適的連接處理,可以模擬現場實際情況,得到合理的計算結果,對于指導現場施工、保證行車安全具有一定的指導意義。

(2)計算工況較為單一,為簡化計算僅考慮了活載,風荷載和日照影響等因素雖能模擬但未考慮。

(3)考慮到該鋼橋已建成20余a,鋼材材質可能退化,表面會發生銹蝕,為安全起見,對舊橋進行利用時,不但要對鋼材性能進行鑒定,還應在建模時充分考慮截面削弱的影響。