所属栏目：机械论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:165
摘要：结合某拱桥工程，分析了该桥吊点部位单元应力的分布特点及其变化规律。根据计算结果，给出相应分析及总结，对类似应力分析有一定的参考价值。
关键词：拱桥;吊点;局部应力;分析计算
1.引言
在城市景观桥方案比选中，拱桥以拱圈曲线优美、柔中带刚、韵律感强及传力路径明确等优点得到一定的青睐，其将传统与现代风格有机结合起来能够创造一种跨越性视觉美观。在地势平坦处，多为中承式或下承式且矢跨比小的坦拱，拱肋造型可多样化，材料可以为砖、石、钢筋混凝土、钢管混凝土等。
但是，在吊索与拱圈的连接处，由于吊索处局部开孔，在整个拱肋中圆孔的尺寸相对很小，而且锚箱位于拱肋内部的隐蔽部位，构造较为复杂，吊索作用在吊点处的力相对较大，因此吊点附近拱肋的应力比较大，应力分布也较为复杂。本文结合某城市跨河景观拱桥工程，分析了该桥吊点附近拱圈的应力大小及变化规律，其结果对同类工程具有一定的参考价值。
2.工程概况
某跨河景观拱桥，为下承式系杆拱结构。单片主拱拱肋采用薄壁钢箱结构，主桥全长57.42m，桥面宽40余米，一孔跨越某河，主桥孔跨布置为44m，矢高8.8m，矢跨比为1/5，拱轴线采用悬链线，拱轴系数m=1.5。拱肋截面为1.5×0.9m的钢箱构件，顶、底、腹板均采用20mm厚钢板，均布置有厚8mm，宽120mm的加劲肋，加劲肋间距120mm。拱圈内每4.2m布置一道与轴线垂直中间开孔的横隔板，横隔板厚10mm。拱肋嵌入拱座内2m，通过30mm的端板和40mm厚的承压板与拱脚混凝土连接，拱圈内钢板均采用Q345C钢材制作。全桥拱肋共9对吊杆，吊杆纵向间距按4.2m设置。吊杆采用85丝φ5高强平行钢丝束配冷铸镦头锚具。为确保吊杆的使用性能，设计中吊杆索采用低应力防腐成品拉索。钢丝抗拉强度标准值1670MPa，设计容许拉应力668MPa，安全系数2.5。
由Midas有限元软件全桥初步分析计算结果可知，靠近拱脚的第二对吊索处的内力较大，建模时取该部位作为吊点局部分析的研究对象。
3.建模计算过程
3.1材料特性
拱圈材料均为Q345C，其具体参数为：E=2.06e+5N/mm2;泊松比为0.3;重量密度为7.698e-5N/mm3;热膨胀系数为1.2e-51/C。吊杆为φ5高强钢丝吊杆，应采用符合《预应力混凝土用钢丝》(GB/T5223-1995)标准的II级松弛(低松弛)钢丝，其抗拉强度标准值fpk=1670MPa。锚具采用85-5型冷铸锚。Wire1670钢丝具体参数为：E=2.05e+5N/mm2;泊松比为0.3;重量密度为7.85e-5N/mm3;热膨胀系数为1.2e-51/C。
3.2网格划分
采用实体网格划分，整个拱圈为一个实体，最小网格划分尺寸为4mm，经实体自动划分后共有208569个节点，230835个单元。
3.3加载及边界条件
由Midas全桥计算结果知，所取的局部拱圈右端相应内力为：轴力为10670KN，受压;剪力为740KN，方向垂直拱轴线向下;弯矩为884KN.m，方向为右手法则顺时针。将这些力作为外荷载施加于局部拱圈自由端。
单根吊索力为950KN,将其等价换算为面力f=6761并分别施加于两个锚箱的传压板上，方向垂直向下。拱圈边界条件为左端固结，右端自由。
4.Midasfea软件计算结果分析及总结
4.1锚箱内部最大内力分布
在自重、双根吊索拉力及自由端轴力、剪力和弯
矩的综合静力作用下，通过Midasfea有限元软件实体分析得出吊索处拱圈局部内力分布情况：
(1)单元最大应力图
图1锚箱内部纵剖面应力分布图
图1为锚箱内部纵剖面内力分布图。锚箱内最大单元应力为351.894Mpa，如图中底板区域所示。
(2)锚箱内部横剖面单元应力力分布图
图3为锚箱内部横断面应力分布图。最大单元应力达351.894Mpa，如图中底板区域所示。
图2锚箱内部横断面应力分布#p#副标题#e#图
(3)锚箱内部应力俯视图
图3锚箱内部应力俯视图
图3为锚箱内部应力俯视图。锚箱底板应力最大为376.85Mpa，如图中底板区域所示，占全部应力区的1%。
4.2结果分析
(1)由传力途径知，吊索索力是通过锚箱承压板传至锚箱内的肋上，然后由纵横肋传至拱圈的底板。在综合静力作用下，吊索穿过底板时，底板出现小孔，相对于整个拱圈底板来说底板小孔的尺寸很小，从而产生应力集中效应。因此，在吊索力的作用下，吊索孔周围的底板与锚箱内横肋交接处内力呈现较大，最大应力可达351.894Mpa，剪应力达181.6Mpa。由内力分布图可以看出，该部位内力分布呈一定规律即应力集中区域分别位于锚箱被内部隔板分开的四个区域，并且关于内部横隔板大致呈对称分布，应力集中区的应力大约为350Mpa，而周围较近的区域应力则迅速减为250Mpa左右。
(2)除拱圈底板外，在锚箱外部与之交接的第三根纵肋上边缘内力也较大，由结果图片可以看出，该部位的内力甚至大于底板应力集中区的最大内力。这主要是由于吊索力的作用使该部位受弯产生拉应力所致。
(3)靠近拱脚的锚箱外部一侧，与底板交接的锚箱角部位内力也较大，这是由于吊索力通过承压板传递到截面尺寸较小的锚箱板上，由于该部位面积变小，其应力则相应随之变大。
(4)与承压板交接的锚箱横隔板的上部，该部位的压应力大致在90Mpa～140Mpa的范围，由局部受压所致。
(5)与横隔板交接纵肋的上边缘内力也较大，由弯矩产生的拉应力所致，易出现裂缝，设计时应注意。
(6)在锚箱内部的纵横隔板与承压板接触的一定高度范围内的受也不容忽视，应加强构造处理。
5.结语
对拱桥而言，吊点部位在吊索力作用下，吊索孔径相对于周边拱圈尺寸来说较小，从而形成应力集中现象，应力会很大，因此有必要对该部位作细部分析。本文即在此理论基础上通过对某拱桥实例进行了具体的分析，得出吊索孔周围的应力分布情况，对设计起到了一定指导作用,对其它类似局部分析也有一定的参考价值。
参考文献：
【1】谢尚英，王峰君.混凝土自锚式悬索桥锚固区应力分析.世界桥梁.2007，(1)：32-34.
【2】JTGD62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范【S】.
【3】徐芝伦.弹性理论【M】.北京：人民教育出版社，1982.