【《宿州市虞姬大桥钢箱拱静力计算过程案例》3400字】

I宿州市虞姬大桥钢箱拱静力计算过程案例目录TOC\o"1-3"\h\u27984宿州市虞姬大桥钢箱拱静力计算过程案例 144881.1工程背景 110501.1.1设计概况 183541.1.2吊杆构造 3308501.2有限元模型建立 425331.2.1模型建立 4262121.2.2施工阶段模拟 6194281.2.3吊杆张拉顺序以及目标成桥索力 6255011.3施工阶段累计竖向位移 8225811.3.1钢纵梁累计竖向位移 8189061.3.2拱肋累计竖向位移 9160191.4施工阶段特征截面正应力 1170691.5不同工况下吊杆索力 12190191.6小结 121.1工程背景1.1.1设计概况本次研究基于位于安徽省宿州市灵璧县的虞姬大桥（图2-1），桥梁跨越新汴河河道，河槽总宽500m左右，桥梁与新汴河两侧大堤平交，本项目包括混凝土桥和两侧装饰拱两个主要部分，其中混凝土桥梁边缘与装饰拱圈边缘间距为15cm。桥梁整体布置图和桥位平面图分别见图2-2和图2-3。其中混凝土部分桥梁全长565m，主桥为预应力混凝土变截面现浇箱梁（37+66+37）m，引桥为组合箱梁桥（2.5+3×30+4×30）m。主桥的装饰钢箱拱在立面观看为彩虹造型。装饰钢箱拱全长360m，拱圈为双片钢箱，跨径布置为（80+200+80）m，吊杆采用挤压式钢绞线拉索，装饰钢箱拱布置图如图2-4所示：图2-1虞姬大桥图2-2项目总体布置图（包括混凝土桥和装饰拱）图2-3桥位平面图图2-4钢箱拱总体布置图拱圈的上下边缘线为二次抛物线，拱脚线形为圆弧和抛物线的组合，如图2-4所示。拱圈矢跨比为1:4.5，宽度为2m，拱顶位置拱圈高度为3m。在中间桥墩上方使用球形支座，拱底处不设置拱脚。在横桥向，东西侧两片拱圈通过门式风撑连接，增加钢箱拱横向的稳定性，间距为24.8m。顺桥向的拱圈内每隔3m布置一道横隔板，横隔板与拱轴线垂直，中心挖空预留后期检修孔洞。拱圈吊杆位置处加设横隔板，和吊杆长度方向一致。拱圈内采用I型加劲肋。钢箱拱除吊杆外材料全部采用Q235钢。钢纵梁高2.2m，宽1.7m，钢纵梁顶底板和腹板均采用I型加劲肋。1.1.2吊杆构造图2-5吊杆立面布置图如图2-5所示(图中N表示北侧，S表示南侧)，相邻吊杆在顺桥向的标准中心距为6m，横桥向采用双侧吊杆，东西两侧中心距为24.8m。吊索上下端均采用吊耳式，考虑到疲劳、吊装及可更换性、吊索设计安全系数取2.5。如图2-6所示，项目中的吊杆索体采用GJ15-3成品索。吊杆索体采用φ15.2环氧喷涂无粘结钢绞线，材料强度1860MPa。索体内部为3根环氧喷涂无粘结钢绞线，绞线束缠纤维高强聚脂带，再挤塑高密度聚乙烯(HDPE)。钢绞线和索体均符合相关规范的标准要求。图2-6吊杆构造图1.2有限元模型建立1.2.1模型建立根据设计图纸，本次模型首先采用SolidWorks软件建立三维模型。将钢箱拱结构按照图纸划分的节段，分别建立各节段对应的零件如图2-7~图2-10所示。然后使用SolidWorks软件的零件装配的功能，将各部分零件按照图纸拼装出钢箱拱的整体模型，如图2-11所示。图2-7拱顶节段图2-8拱脚节段图2-9拱梁交界节段图2-10钢纵梁节段图2-11SolidWorks钢箱拱三维模型将SolidWorks软件中建立的钢箱拱三维模型导入通用有限元软件Ansys进行计算。在Ansys中钢箱拱的钢板材采用shell181单元。吊杆采用link10只受拉单元。钢纵梁支架采用只压单元模拟。有限元模型中吊杆的预应力张拉采用降温法施加。有限元模型如图2-12所示。图2-12Ansys钢箱拱空间有限元模型1.2.2施工阶段模拟施工阶段号施工阶段描述1安装拱肋钢箱、风撑、吊杆2张拉吊杆3拆除钢纵梁支架，成桥阶段1.2.3吊杆张拉顺序以及目标成桥索力钢箱拱圈的吊杆采用油压千斤顶（图2-13）在钢箱拱的东西两侧同时张拉，张拉顺序见下表2-1。表2-1张拉次序表张拉次序吊杆编号张拉次序吊杆编号张拉次序吊杆编号张拉次序吊杆编号(1)N-13(8)S-05(15)S-12(22)N-04(2)N-11(9)N-05(16)S-10(23)S-04(3)S-11(10)N-03(17)N-10(24)S-02(4)S-09(11)S-03(18)N-08(25)N-02(5)N-09(12)S-01(19)S-08(6)N-07(13)N-01(20)S-06(7)S-07(14)N-12(21)N-062-13油压千斤顶张拉吊杆图2-14千斤顶张拉100kN本项目钢箱拱圈的吊杆初始张拉力均为100kN，根据千斤顶厂家提供的油压公式P=0.10503F+0.37534，可知千斤顶读数控制在10.878MPa，如图2-14所示。根据现场实际张拉的情况，整理如下表2-2。表2-2实际张拉索力吊杆编号实际张拉索力（kN）吊杆编号实际张拉索力（kN）NW-01100NE-01100NW-02113NE-02100NW-03100NE-03100NW-04100NE-04100NW-05100NE-05100NW-06100NE-06100NW-07100NE-07120NW-08100NE-08100NW-09100NE-09100NW-10100NE-10100NW-11132NE-11130NW-12110NE-12107NW-13141NE-13138SW-12113SE-12110SW-11100SE-11122SW-10100SE-10100SW-09100SE-09100SW-08100SE-08100SW-07100SE-07100SW-06100SE-06100SW-05100SE-05100SW-04100SE-04100SW-03100SE-03100SW-02115SE-02100SW-01100SE-011001.3施工阶段累计竖向位移通过有限元计算，获得了在成桥阶段的钢纵梁累计竖向位移和拱肋累计竖向位移的结果值。将相关计算结果统计于下表2-4~表2-6中。1.3.1钢纵梁累计竖向位移表2-3第3施工阶段西侧钢纵梁累计竖向位移节点位置X(m)竖向位移(mm)节点位置X(m)竖向位移(mm)节点位置X(m)竖向位移(mm)-86.06-72.35-27-81.6933-81.92-83.6-74.97-24-81.6636-82.03-81-78.70-21-81.5639-82.07-78-81.03-18-81.5242-82.16-75-82.57-15-81.4545-82.22-72-83.19-12-81.4348-82.36-69-83.07-9-81.3851-82.42-66-82.96-6-81.3854-82.54-63-82.80-3-81.3657-82.62-60-82.730-81.3960-82.79-57-82.553-81.3963-82.87-54-82.466-81.4466-83.02-51-82.359-81.4769-83.12-48-82.2912-81.5672-83.22-45-82.1515-81.5875-82.57-42-82.0918-81.6578-81.01-39-81.9821-81.6981-78.84-36-81.9424-81.7883.6-74.90-33-81.8227-81.8086.06-72.27-30-81.7730-81.87表2-4第3施工阶段东侧钢纵梁累计竖向位移节点位置X(m)竖向位移(mm)节点位置X(m)竖向位移(mm)节点位置X(m)竖向位移(mm)-86.06-72.44-27-81.5633-81.82-83.6-75.06-24-81.5336-81.94-81-78.97-21-81.4439-81.99-78-81.11-18-81.3942-82.09-75-82.66-15-81.3345-82.15-72-83.29-12-81.2948-82.30-69-83.19-9-81.2651-82.36-66-83.08-6-81.2554-82.50-63-82.89-3-81.2257-82.59-60-82.790-81.2460-82.78-57-82.593-81.2363-82.86节点位置X(m)竖向位移(mm)节点位置X(m)竖向位移(mm)节点位置X(m)竖向位移(mm)-54-82.486-81.2766-83.04-51-82.339-81.3069-83.13-48-82.2512-81.3772-83.24-45-82.0815-81.4075-82.6-42-81.9918-81.4978-81.05-39-81.8621-81.5481-78.70-36-81.8024-81.6583.6-75.15-33-81.6827-81.6886.06-72.31-30-81.6430-81.77第3施工阶段东西两侧钢纵梁累计竖向位移比较情况，见图2-15图2-15第3施工阶段东西两侧钢纵梁累计竖向位移比较1.3.2拱肋累计竖向位移表2-5第3施工阶段西侧拱肋累计竖向位移节点位置X(m)竖向位移(mm)节点位置X(m)竖向位移(mm)节点位置X(m)竖向位移(mm)-1000-33-96.8536-96.55-98-44.29-30-97.1739-96.24-95-51.56-27-97.4042-95.98-92-58.40-24-97.6845-95.62-89-65.89-21-97.8048-95.30-86-69.97-18-97.9551-94.82-83-75.85-15-98.0554-94.40-81-79.77-12-98.1757-93.86-78-84.53-9-98.2560-93.39节点位置X(m)竖向位移(mm)节点位置X(m)竖向位移(mm)节点位置X(m)竖向位移(mm)-75-88.13-6-98.3663-92.79-72-90.33-3-98.4166-92.20-69-91.40-98.4869-91.37-66-92.243-98.3972-90.3-63-92.826-98.3375-88.10-60-93.429-98.2078-84.48-57-93.8912-98.1081-79.71-54-94.4415-97.9983-75.98-51-94.8518-97.8986-70.5-48-95.3321-97.7489-65.70-45-95.6424-97.6292-58.17-42-95.9927-97.3595-51.41-39-96.2730-97.1298-44.12-36-96.5933-96.811000表2-6第3施工阶段东侧拱肋累计竖向位移节点位置X(m)竖向位移(mm)节点位置X(m)竖向位移(mm)节点位置X(m)竖向位移(mm)-1000-33-97.0036-96.58-98-44.40-30-97.3039-96.26-95-51.36-27-97.5242-95.95-92-58.68-24-97.7945-95.63-89-65.57-21-97.9148-95.31-86-70.00-18-98.0651-94.82-83-75.93-15-98.1554-94.34-81-79.85-12-98.2657-93.86-78-84.60-9-98.3560-93.38-75-88.20-6-98.4563-92.78-72-90.39-3-98.5066-92.18-69-91.460-98.5769-91.35-66-92.303-98.4872-90.28-63-92.896-98.4275-88.09-60-93.499-98.3078-84.49-57-93.7112-98.2081-79.74-54-94.5215-98.0783-75.81-51-94.9518-97.9786-69.87-48-95.4421-97.8189-63.29-45-95.7624-97.6892-58.70-42-96.1327-97.4095-51.34-39-96.4030-97.1798-44.2-36-96.7333-96.841000第3施工阶段东西两侧拱肋累计竖向位移比较情况，见图2-16。图2-16第3施工阶段东西两侧拱肋累计竖向位移比较1.4施工阶段特征截面正应力各施工阶段西侧钢纵梁截面的应力值见下表2-7~表2-9。（表中的坐标值是以桥梁计算跨径中点为原点）。截面应力点位置如图2-15所示。图2-17西侧钢纵梁截面应力点示意图表2-7西侧钢纵梁L/4截面应力值（位置：X=50.5m）（MPa）施工阶段号1点2点3点4点10.640.642.412.3721.671.692.372.31329.829.929.629.7表2-8西侧钢纵梁跨中截面应力值（位置：X=0m）（MPa）施工阶段号1点2点3点4点10.740.742.422.4524.074.122.952.96333.732.829.930.8表2-9西侧钢纵梁与拱肋相接处截面应力值（位置：X=86.06m）（MPa）施工阶段号1点2点3点4点151.049.414.814.6272.470.721.021.0331.228.758.059.41.5不同工况下吊杆索力本项目共采集了两次拉索的频率值，第一次采集对应于施工阶段2完成后施工阶段3开始前。第二次采集对应于施工阶段3完成后。梳理两次采集对应于有限元模型的工况结果于下表2-10（表中W表示西侧，E表示东侧），以供后续章节的研究工作。表2-10两工况下吊杆的索力值吊杆编号张拉完毕未拆支架时索力(kN)拆除支架后索力(kN)吊杆编号张拉完毕未拆支架时索力(kN)拆除支架后索力(kN)NW-0159.77112.81NE-0162.75116.23NW-02113.44142.37NE-0298.83128.23NW-0358.2880.05NE-0359.8781.54NW-0494.54114.28NE-0495.46114.47NW-0554.3373.33NE-0554.9172.77NW-0691.59110.53NE-0691.93109.32NW-0756.4075.11NE-0777.2094.52NW-0891.26109.71NE-0891.07108.38NW-0953.5971.94NE-0953.6971.08NW-1088.81107.18NE-1089.55106.82NW-1177.0495.30NE-1174.5691.73NW-1288.28106.51NE-1287.99105.13NW-1