边拱起吊吊耳局部受力有限元分析
2020-10-12张牧龙张艳君
张牧龙 张艳君
(1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410000； 2.国网江西省电力有限公司南昌供电分公司，江西 南昌 330000)
0 引言
随着钢箱拱桥建设规模的不断增大，越来越多的设计和施工问题在钢箱拱桥的吊装过程中遇到。边拱起吊吊耳结构设计直接影响钢箱拱肋在吊装施工过程中的可靠性和安全性，但是边拱起吊吊耳作为局部受力构件，其受力状态复杂，吊耳板孔在销轴挤压作用下或吊耳与钢箱梁表面焊接强度不足均易导致吊耳失效[1-3]。
目前吊耳强度的计算主要采用理论方法加经验公式验算的方法。主要包括：吊耳各危险截面强度校核、吊耳孔与插销挤压强度和焊缝强度校核三方面。例如，刘玉贵等[4]借助ABAQUS软件对吊耳结构的接触强度进行研究，依据钢箱梁外形特点及受力情况，提出了吊耳相应的改进措施。虽然有限元分析计算技术在吊耳强度计算中得到了一定的应用，但是很少有学者采用Midas Fea有限元分析软件去分析边拱起吊吊耳在均布荷载作用下的变形受力规律。
1 工程概况
项目位于淮南市寿县，桥梁线路呈东向西走向，是新桥国际产业园西向的出城口道路。新桥大桥全长726 m，桥跨布置为：3.0 m(桥台)+300 m(预制箱梁)+150 m(斜跨拱)+270 m(预制箱梁)+3.0 m(桥台)，其中主桥跨越规划江淮运河河道。主桥为斜跨钢箱拱桥，主梁跨径为150 m，钢箱拱跨径为170 m，矢跨比为0.381 9，主拱轴线与桥梁纵向水平面夹角为25°，主梁法线方向与规划江淮运河中心线夹角为18.69°，通航孔及规划江淮运河河道由主桥一跨跨越。
为了更加详细了解大桥边拱局部构造的位移和应力分布情况，对边拱起吊吊耳、中拱起吊吊耳和拱脚处构造进行详细的受力有限元分析。边拱起吊吊耳钢材为Q345qD，板厚20 mm，吊耳孔内半径50 mm，外半径为140 mm，吊耳孔两侧焊接矩形钢板进行加强，矩形钢板厚度20 mm，高度240 mm，长度500 mm，钢板水平间距340 mm，拱肋顶板与临时板式吊耳连接采用双面坡口全熔透焊接。边拱起吊吊耳与拱肋连接处构造的正视图和侧视图如图1所示。
2 三维有限元模型建立
为了减少边拱起吊吊耳与拱肋连接处受力状态分析问题的建模难度，本文对边拱起吊吊耳与拱肋连接处有限元分析模型作出了如下计算假定：
1)假设模型不考虑构件连接处焊缝对边拱起吊吊耳的受力影响；
2)假设模型采用的材料为均匀、连续、弹性和各向同性的介质；
3)假设模型不考虑边拱起吊吊耳与拱肋的相对滑动；
为了很好地消除边界效应对研究对象的影响及满足圣维南原理的要求，本文模型的边界范围：拱肋沿着拱轴线的长度为10 m，宽度为5 m，高度为0.03 m。模型中边拱起吊吊耳、钢板与拱肋的材料采用Q345qD钢材，弹性模量为206 000 MPa，泊松比取0.3，重度78.5，线膨胀系数为0.000 012。模型网格类型采用六面体单元，网格划分尺寸为0.01 m。网格划分后共有30 107个节点，22 841个单元，网格划分后的效果如图2所示。
为了模拟拱肋与吊耳的相互作用，本模型在拱肋底部采用了约束X向、Y向、Z向位移的固定边界。本工程在实际施工中是将销轴插入吊耳孔，然后再通过提升销轴使边拱达到预定的位置，所以模型中的荷载主要考虑边拱起吊吊耳孔上半周的均布面压力荷载，提升力大小为3 077 kN。
3 模型计算结果分析
3.1 模型位移分析
以边拱起吊吊耳模型的位移为研究对象。分别给出了边拱起吊吊耳的总位移和边拱起吊吊耳孔竖向节点坐标位移图。
从图3可以看出，边拱起吊吊耳总位移最大值为1.037 mm，位于边拱起吊吊耳孔后侧面正上方2108号节点处；计算得到边拱起吊吊耳水平位移最大值为0.064 mm，位于边拱起吊吊耳左侧钢板1834号节点处；边拱起吊吊耳轴向位移最大值为0.231 mm，位于边拱起吊吊耳孔后侧面左侧2108号节点处；边拱起吊吊耳竖向位移最大值为1.037 mm，位于边拱起吊吊耳孔后侧面正上方2108号节点处。因此，边拱起吊吊耳在压力荷载作用下产生的主要位移为竖向位移，边拱起吊吊耳变形监测中应重点关注竖向位移的变化。
3.2 模型应力分析
为了研究模型中边拱起吊吊耳模型应力的分布规律，以边拱起吊吊耳模型的位移为研究对象。图4分别给出了边拱起吊吊耳Von Mises等效应力、最大剪应力的分布云图。
可以看出，边拱起吊吊耳Von Mises等效应力的主要分布区间为0 MPa～105.644 MPa，其最大值为169.03 MPa，位于边拱起吊吊耳孔前侧面左侧1506号单元处；边拱起吊吊耳最大剪应力的主要分布区间为0 MPa～60.985 MPa，其最大值为97.575 MPa，位于边拱起吊吊耳孔前侧面左侧1506号单元处。边拱起吊吊耳的等效应力未超过Q345qD的抗拉和抗压强度设计值250 MPa，其最大剪应力也未超过Q345qD的抗剪强度设计值145 MPa，不需要再采取加固补强的构造措施，边拱起吊吊耳与拱肋连接处构造设计能满足强度要求。
4 结语
基于新桥大桥的工程背景和中拱起吊吊耳的局部构造设计，本章采用Midas Fea有限元软件，建立了边拱起吊吊耳局部受力有限元分析模型，得到了位移和应力计算结果，通过对边拱起吊吊耳模型位移和应力结果的分析表明：
1)边拱起吊吊耳模型在面压力荷载作用下产生的主要位移为竖向位移，边拱起吊吊耳变形监测中应重点关注竖向位移的变化。
2)边拱起吊吊耳模型的等效应力和最大剪应力均未超过Q345qD钢材的抗拉和抗压强度设计值，该吊耳不需要再采取加固补强的构造措施，边拱起吊吊耳与拱肋连接处构造设计能满足工程安全所需要的强度要求。
