基于有限元的鋼桁橋懸拼法方案設(shè)計(jì)

1、    基于有限元的鋼桁橋懸拼法方案設(shè)計(jì)    摘 要：利用對稱懸拼法拼裝鋼桁橋，以達(dá)到產(chǎn)品受力合理、費(fèi)用最低的目的。關(guān)鍵詞：懸拼；轉(zhuǎn)體；有限元1 概述本文所涉及的鋼桁橋?yàn)殇撹炝?0米+80米+50米三跨連續(xù)梁，平面位于直線上，豎曲線為r=1800米圓曲線，曲線頂點(diǎn)在中跨跨中位置。該橋采用整體節(jié)點(diǎn)，桁高為變高度，8.8米15.75米不等，下弦為平弦，上弦為曲弦；節(jié)間長度：中跨為6.67 m，邊跨為7.06米；主桁中心距17.7m。鋼桁梁由主桁上弦桿、下弦桿、腹桿，橋面系縱梁、橫梁，下平縱聯(lián)、上橫聯(lián)、非機(jī)動車道懸臂梁等組成。鋼桁梁為栓焊結(jié)構(gòu)，各桿件截面形式

2、設(shè)計(jì)為組焊式箱形和組焊式工形兩種。2 懸拼法方案簡介根據(jù)施工圖和現(xiàn)場條件，采用對稱懸拼法施工。如圖1，鋼梁下弦從梁兩端向中間計(jì)算，e1.e2.。在e4、e7、e9點(diǎn)按計(jì)算布置臨時(shí)支墩，e1點(diǎn)用工程墩，e8墩頂部設(shè)臨時(shí)支墩。臨時(shí)墩縱橋向距中線8.85米；在距縱橋向距中線12米處布設(shè)臨時(shí)龍門吊機(jī)棧橋。利用龍門吊機(jī)提升鋼桁梁桿件，首先安裝墩頂兩個(gè)節(jié)間，經(jīng)調(diào)整姿態(tài)后，與臨時(shí)支墩固結(jié)，然后由龍門吊機(jī)對稱架設(shè)兩端節(jié)間。中跨架設(shè)至跨中，留上弦桿接口。通過設(shè)置在e7、e9上的水平及豎向液壓千斤頂進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，使中跨跨中懸臂端姿態(tài)處于鉛垂面并且各對接節(jié)點(diǎn)處于同一標(biāo)高上以滿足合龍要求。安裝合龍段及端部其余節(jié)段。e

3、7、e9豎向千斤頂同步頂升，挪下e8點(diǎn)臨時(shí)支墩，替換上盆式支座并落梁。3 初始剛性轉(zhuǎn)體計(jì)算施工方案中最關(guān)鍵的工序是跨中兩對接懸臂端姿態(tài)的調(diào)整以及合龍段的安裝。在架設(shè)前通過有限元計(jì)算調(diào)整e4、e7、e8、e9點(diǎn)的初始標(biāo)高，使左右半橋相對設(shè)計(jì)姿態(tài)具有一定的剛性轉(zhuǎn)體，待左右半橋拼接完成后在自重的作用下兩對接懸臂端姿態(tài)理論上便能滿足合龍要求，從而減少調(diào)整難度并縮短工期。利用beam188單元建立鋼桁橋的半橋的有限元模型。3.1 左半橋剛性轉(zhuǎn)體。利用位移邊界條件定義左半橋e8節(jié)點(diǎn)為初始標(biāo)高為設(shè)計(jì)標(biāo)高，e4點(diǎn)標(biāo)高相對設(shè)計(jì)標(biāo)高的位移為36.4mm，e7點(diǎn)標(biāo)高相對設(shè)計(jì)標(biāo)高的位移為-9.1mm，e9點(diǎn)標(biāo)高相對設(shè)

4、計(jì)標(biāo)高的位移為8.6mm，并施加重力。計(jì)算結(jié)果顯示在重力作用下e14節(jié)點(diǎn)（對接節(jié)點(diǎn)）y方向的位移為21.4mm，繞z坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)角度為0.129*10-5rad，此時(shí)對接轉(zhuǎn)角基本為0。圖2 位移變化云圖3.2 右半橋剛性轉(zhuǎn)體。利用位移邊界條件定義右半橋e4點(diǎn)標(biāo)高相對設(shè)計(jì)標(biāo)高的位移為3.8mm，e7點(diǎn)標(biāo)高相對設(shè)計(jì)標(biāo)高的位移為17.9mm，e8點(diǎn)標(biāo)高相對設(shè)計(jì)標(biāo)高的位移為22.6mm，e9點(diǎn)標(biāo)高相對設(shè)計(jì)標(biāo)高的位移為27.0mm，并施加重力。計(jì)算結(jié)果顯示在重力作用下e14節(jié)點(diǎn)（對接節(jié)點(diǎn)）y方向的標(biāo)高為21.4mm，繞z坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)角度為0.112*10-3rad，此時(shí)對接節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角基本為0。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果

5、，左右半橋?qū)狱c(diǎn)標(biāo)高一致，并且轉(zhuǎn)角均為0，滿足對接要求。4 支墩反力計(jì)算及鋼橋應(yīng)力分析為了保證拼接精度，在拼裝過程不允許出現(xiàn)支墩樁基下沉的現(xiàn)象，因此需要計(jì)算整個(gè)拼裝過程中各樁基的反力值，以保證樁基有足夠的承載力。圖3 支墩位置通過對成橋過程中的各典型工況進(jìn)行有限元建模分析，得出各支墩的樁基支反力最大支反力如下表所示：墩號 l1 l4 l7 l8 l9反力 80.5 tf 128.9tf 281.4tf 494.5tf 211.4tf拼裝過程中產(chǎn)生的最大應(yīng)力為104mpa，發(fā)生于e7、e9點(diǎn)整體頂升落梁工況，如下圖所示：圖4 整體落梁工況5 結(jié)論5.1 通過調(diào)整左右半橋使其相對設(shè)計(jì)姿態(tài)具有一定的剛性轉(zhuǎn)體，待左右半橋拼接完成后在自重的作用下兩對接懸臂端姿態(tài)理論上便能滿足合龍要求。5.2 拼裝過程中鋼橋產(chǎn)生的最大應(yīng)力為104mpa，整體結(jié)構(gòu)安全。有限元計(jì)算鋼橋拼裝過程產(chǎn)生的應(yīng)力和變形，對鋼橋拼裝方案的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn)1 陳永勇，唐錄和，姚鋒.南疆特大橋鋼桁梁懸拼架設(shè)技術(shù)j.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007.2 宋亞