钢桁梁箱形杆件加劲板

钢桁梁箱形杆件加劲板

1研究项目概述■天兴洲长江大桥斜拉桥主梁为板桁结合钢桁梁

，

桁宽30m

，

桁高15.2m,节间长度

14m

。板桁结合钢桁梁为N形桁架

，

三片主桁间距为15米

。主桁弦杆采用箱

形截面。■部科技发展计划项目《

天兴洲公铁两用长江大桥钢桁梁稳定性研究》

中采用第1页/共14页经典弹塑性理论及有限元方法对箱形压杆的加劲板局部稳定极限承载力,主

板及肋板的宽厚比

、肋板的布置及合理刚度等进行了详细的理论分析

。箱形

压杆加劲板极限承载力试验研究作为该项目的一个子课题,其主要目的是通

过有限的试验研究验证带加劲肋板件局部稳定性理论计算方法及结果。

第2页/共14页2．

试验模型的设计及制作试验模型缩比按照几何缩尺缩小

，

在缩尺时

，

遵循模型与原型板

件弹塑性屈曲应力相同的原则

，

在保持加劲肋板与主板横截面面

积比

，

刚度比及弹塑性屈曲应力相同的条件下

，

最终确定的模型

与原型的宽厚比的缩比为1:2，

原型与模型的参数列于表

，

共制作了两个加载试件。在加载试验时

，

对主板进行适当的简支约束后加载。

主板/mm长度×宽度×厚度14000×1500×202300×750×10屈曲半波数mσscr/MPa31面积比δ刚度比γ肋板/mm319.8319.80.1066744.940.1066744.94200×16100×8原型模型3．

试验模型的加载方式及测点布置■

试验模型共两件,采用MTS试

验机加载

。其中试件一按加劲

肋的板件横截面中心加载,试

件二按加劲肋的板件横截面偏心加载

。试件二加载偏心距为6mm,向加劲肋板方向偏心。

第3页/共14页■

试验前对试件焊制成形后板的不平整度进行了测量

。根

据测量结果,绘制试件的主板初始不平整度等值线

。总

体而言,板件横截面沿加劲肋板呈凹形,板件不平整主

要是由于焊接变形引起的

。肋板沿长度方向的最大相对

曲率约。第4页/共14页3．

试验模型的加载方式及测点布置非线性壳单元建模

。理论计算

按考虑材料及几何非线性的板

件压溃极限承载力进行计算,采用各向同性双线性弹塑性材

料本构模型。第5页/共14页4.有限元理论计算模型■

理论计算采用ANSYS有限元程

序建模

，

主板及加劲肋均采用4.有限元理论计算模型■

采用在计算模型肋板与

主板焊接区一定宽度范

围内施加节点温度荷载

产生内应力的方法模拟

残余应力

模拟及拟合。的压应力峰值分别为

、,峰值大小相近,且作为

内应力在结构内部均是

自相平衡的,可以达到

模拟残余应力进行计算

分析的目的

。

由于在弹

塑性阶段,残余应力重

分布及相继消失,残余

应力对试验加劲板极限

承载能力影响较小,其

导致的加劲板极限承载

能力降低幅值约为％

。

残余应力在加劲板横截面分布图第6页/共14页5.试验结果及分析■

试验荷载采用MTS试验机分级加载

，

在加载初期以200kN为一级

，

加载到2200kN后,以50kN为一级加载至结构破坏。■

从整体上看

，

试件一在向3150kN加载的过程中

，

试件破

坏;试件二在向2750kN加载的过程中

，

试件破坏。

试件二在加载偏心的影响下,表现出整体压溃的破坏特

征

。实测试件二从荷载位移及荷载应变曲线来看,板件

在加载到289MPa时开始出现整体失稳,但其后加劲板仍

具有承载力,最终在加载至板件上侧端部局部出现屈曲破坏。

试件一进行中心加载,其带有一定的板件整体屈曲破坏

特征

。实测试件一在加载到313MPa时开始出现整体失稳

的变化,但由于极限荷载与材料屈服强度较为接近,最

终在加载至板件发生破坏。

■■第7页/共14页5

.

1

试件一测试结果及分析一

、荷载位移曲线分析■计算模型板件为理想平板

，

即使按大变形理论计算

，

在达到极限状

态前

，侧向位移较小

，

此后

，侧向位移显著增加

，

带有一定的屈曲破坏特征

。而实际板件

，

虽然是对板件中心加载

，

由于板件本身存在的初始不平整度的影响

，

板件各测点处的侧向位移大于计算值。实测结果表明,加载过程中非线性变化主要出现在板件中部测点处,在板件侧向失稳开始后,试件一只是荷载位移曲线的斜率较原来变

大,与计算值的基本水平变化不同,表明开始失稳后,板件还有一定的承载力。

B-B截面荷载-z向位移曲线第8页/共14页5.1试件一测试结果及分析二

、荷载应力曲线分析

■

由图可知,在加载至200MPa左右时,截面部

分测点已出现非线性变

化,可能是由于主板的

局部不平整造成的

。实

测表明,从板端部至板

中央,各测点的应力测

量结果越来越发散,在D-D截面板厚两侧的实

测应变在313MPa后,主

板出现明显的沿横截面

弯曲的特点,表明在313MPa后,主板已开始整体失稳

。在加载到374MPa后,板件加载端

部出现局部屈曲破坏。

第9页/共14页D

-

D

截

面荷

载

-

y向应变曲线压溃破坏特点

。当荷载达

到313MPa时,图8中的实测

曲线与计算规律相似,荷

载增长很小,但位移大幅

度增加,均已接近竖直渐

近线

。此后在向加载的过

程中,加劲板发生破坏。计算值与实测值具有相当的吻合性,实测值略大于

计算值,板件不平整度对

结果的影响相对较小,偏

心因素是影响结果的主要

原因。

■

一

、荷载位移曲线分析■

在偏心加载下,实测及计算的结果均表现出明显的5.2试件二测试结果及分析第10页/共14页B

-

B

截

面荷

载

-

z向位

移

曲

线5.2试件二测试结果及分析■

二

、荷载应力曲线分析■

由图可知

，

加载到289MPa时

，

大多数板的同一位置两侧的测点出现了应变变化的分野,即一侧的应变增幅变大,另一侧对应位置的应变

变小,总体上来说表现

出弯压及扭转的特点

。

表明在289MPa时,主板已局部开始失稳,随

荷载的增加应变或侧向

位移呈现明显的加速增

长

。在加载到后,板件

加载端部出现局部屈曲破坏。

第11页/共14页D

-

D

截

面荷

载

-

y向应变曲线6．

结论■(1)试件一及试件二的极限承载力分别为及

，

均大于天兴

洲大桥实杆下弦杆件的弹塑性总体稳定承载应力

，

表

明天兴洲长江大桥箱形杆件加劲板局部设计是可行的；(2)由试件一及试件二的试验结果可知

，

试验加劲板实测

极限承载力均大于采用弹塑性经典理论计算值及ANSYS有限元程序计算值

。采用理论计算的模型得出的结果是