钢管桁架人行天桥大型焊接空心球支座节点分析.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流钢管桁架人行天桥大型焊接空心球支座节点分析.精品文档.钢管桁架人行天桥大型焊接空心球支座节点分析38桥梁结构城市道桥与防洪2011年11月第11期钢管桁架人行天桥大型焊接空心球支座节点分析陈海斌,陈伟,郑文杰(1.广东省建筑设计研究院,广东广州510010;2.华南理工大学,广东广州510641)摘要:针对大型焊接空心球在珠江新城钢桁架人行天桥支座节点的首次应用,对其采用有限元软件FEA进行分析,得到该节点在正常使用状态下的应力分布规律以及节点的极限承载能力,为大型焊接空心球节点在工程上的应用提供了可靠的理论依据,并对这类节点的设计提出了建议

2、.关键词:钢桁架;焊接空心球节点;弹塑性中图分类号:U448.11文献标识码:B文章编号:10097716(2011)110038030引言2010年11月,亚运会在中国广州举办.珠江新城4座人行天桥工程是亚运会珠江新城核心区市政交通配套项目之一,现已竣工.天桥主桥结构采用上承式空间钢管桁架结构,主梁横断面为带花槽的倒梯形断面.空间钢管桁架结构外形通透,立体空间感强,新颖美观,用钢量少,作为城市人行天桥,为城市建设增加了不少美感和特色.花城大道东人行天桥为珠江新城4座人行天桥的其中1座,本文以其为代表展开论述.1结构总体布置花城大道东人行天桥位于花城大道与珠江大道东相交处,为满足花城大道两侧广

3、场和公园方向行人过街而设置.人行天桥平面整体呈A字形,一字式跨越花城大道隧道,梯道位置平行于花城大道,布置在主桥东西两侧与公园处,并设置上行自动扶梯.天桥主桥上部结构为多跨钢桁架连续梁,U型段展开后跨径组合为:28.309m+37.035m+收稿日期:2011-0623作者简介:陈海斌(1978一),男,广东海丰人,工程师,从事桥梁结构设计工作.34.619m+27.184m+35.170m;一字型段跨径为46.81m,采用平行弦桁架,上下弦钢管中心间距为2.0m.主桥桥面宽度为5.0m,桥面铺装采用压型钢板组合结构.上弦杆采用3根中29914的无缝钢管,下弦为2根32516无缝钢管,腹杆采用

4、12710无缝钢管.各杆件之间采用全熔透焊缝,且支管和主管的连接无偏心.钢桁架端部采用外包钢箱,以便于搭接梯道及支座传力.钢桁架人行天桥的立面和断面布置见图1,图2.考虑到景观要求,钢桁架与下部结构连接时采用焊接空心球支座节点球进行过渡,有效地减少了墩柱和盖梁等影响景观的构件数量.焊接空心球直径为900mm,壁厚为30mm,加劲肋钢板厚度为30mm,4根节点连接杆直径为325mm,壁厚为20mm,见图3.2焊接空心球节点分析2.1研究现状空间结构中焊接空心球节点以构造简单,连接方便等优点得到了广泛应用.20世纪70年代以来,国内外对焊接空心球节点的静力性能做过不少理论与试验研究,提出了一些承载

5、力计算经验公式l_5】.对超大直径fD500mm)焊接空心球!全!舍:全:舍:舍:全:舍:全:全:舍:全:;=/;=;=:,1.,:0.05m,满足要求;竖向最大变形为0.04m,满足要求.构竖向变形及平面内稳定性的影响.,1嬉五(4)使用阶段风荷载对结构平面外稳定性的叶.目口影响.目前运石河拱管桥已投人使用,且运营良好.(5)通过计算结果可知,正常使用极限状态时结合软件计算结果和工程设计实践,在对拱管桥组合5对拱管桥的拱脚反力和变形较为不利,在结构设计时,需注意以下几点:工程设计时应注意此工况对结构的影响.(1)拱脚基础不均匀沉降对拱脚反力及竖向变形的影响.(2)升降温差对结构内力及竖向变形

6、的影响.(3)试用阶段半管水及使用阶段满管水对结参考文献1公路桥涵设计手册编写组编.公路设计手册拱桥(上,下册)【M】.北京:人民交通出版社,1978.【2】范立础主编.桥梁工程(下册)M.北京:人民交通出版社.2011年11月第11期城市道桥与防洪桥梁结构39点/点罴i,花城大道东地面辅道一二|城大道【一图1天桥立面布置图(单位:cm)图2天桥断面布置图(单位:cmJI图3焊接空心球支座节点构造图【单位:mm)节点,目前的理论研究滞后于工程应用,我国现行的网架结构设计与施工规程(JGJ791)中提出了仅适用于直径小于500mm的焊接空心球的计算公式,即=0.55叼dNo=仇f40od一13.

7、31式中,和c分别为受拉和受压承载力.由于大直径焊接空心球节点多向同时加载的研究较少,实际中缺乏可参考数据.在亚运工程工期相当紧张的前提下,如进行节点的荷载试验,将花费较多的时间,无法保证工程的按期完成,因此工程设计时采用有限元软件对焊接球节点进行细部分析,以满足工程需要.2.2有限元分析2.2.1有限元模型的建立有限元模型建立采用有限元软件FEA中的4节点四面体单元对该节点进行受力分析.网格划分采用自动网格划分的方法进行划分.整个模型共分为40143个单元,12971个节点,见图4.分析时,约束支座底面所有自由度,不计残余应力和节点区焊缝对节点极限承载力的影响.2.2.2正常使用极限状态应力

8、分析节点焊接球受力状态比较复杂,属于空间受力范畴.由钢桁架人行天桥整体分析得到的焊接空心球连接杆的轴力如表1所示.图4焊接空心球支座节点有限元模型4O桥梁结构城市道桥与防洪2011年11月第11期表1焊接空心球连接杆轴力分析结果表明,焊接空心球节点与连接杆交界面处的应力集中现象比较严重,该处的范梅赛斯最大应力为101.353MPa.本文还给出了无加劲肋时焊接空心球节点的应力,此时的范梅赛斯最大应力为169.591MPa.详见图5,图6.肼1接点晰姑榆,擅折”,.LO-$OLI,l一?前塞fPtc1盅#坐靛图5焊接空心球应力(有加劲肋)i垂;嘴梅_)球(I)s吡D.vd筢悔蜊【0c.】蒜#锏图6

9、焊接空心球应力(无加劲肋)2.2.3焊接空心球支座节点承载力分析焊接球节点在整个钢桁架体系中处于比较关键的位置,无论是连接杆还是薄壁空球出现局部的屈服,节点都会丧失继续承载的能力,因此有必要对焊接球节点进行极限承载力分析,以判断结构的安全性能.在极限承载力分析中,结构加载采用逐级加载,钢材的本构模型根据文献6中材性试验提供的一模型,如图7所示,其中fr=345MPa,.=510MPa,占1=0.17%,82=2%,占3=20%,4=25%.材料的屈服条件和强化准则采用VonMises屈服准则,其条件判别式为:vd椭式中,为单向拉伸屈服时的屈服极限.等效应力v为:=(:)+(盱)盱)图7钢材本构

10、关系图选用多线性等向强化准则,规定屈服面以材料中所作塑性功的大小为基础在尺寸上扩张.对VonMises屈服准则而言,屈服面在所有方向均匀扩张,而其形状,中心及其在应力空间的方位保持不变.其后继屈服函数为:Ors=Ors0(;)其中.(;)为现实弹塑性应力.本文采用焊接空心球连接杆节点的荷载位移曲线判断焊接球节点的极限承载能力,连接杆的初始荷载为500MPa.如节点的荷载位移曲线图8所示,纵坐标表示加载的荷载步,横坐标表示沿连接杆的位移值fmm),取荷载步为0.69时对应的荷载值作为极限荷载,换算得到的极限荷载为6611kN.计算结果表明,整个支座节点依次屈服的顺序为焊接空心球支承加劲肋角点焊接

11、空心球环形加劲肋中心点焊接空心球连接杆一焊接空心球球壳.3结论与建议(1)焊接空心球球支座节点的有限元分析结果为其在桥梁钢桁架中的应用提供了设计参考依据.(2)计算结果表明,由于焊接空心球加劲肋对球体表面进行了分隔,有效地减小了球壳表面的跨度,较好地改善了球体的受力性能.当焊接空心球设置环形加劲肋时,焊接空心球的最大应力发生在连接杆与焊接球交界处(焊趾附近),无环形加劲肋时焊接空心球的最大应力发生在球体上半球与下半球的结合处.(3)计算结果表明,焊接空心球支座节点极限承载力由各个组成部分控制,设计时应根据节点的连接类型做具体的分析才能确定节点整体的极限承载能力.(4)l由于理论计算时未能考虑焊接空心球节点焊接时产生的残余应力,实际应用时应适当降低由理论分析计算得到的节点承载力值.参考文献I1】魏文梅,胡维生.网架空心球容许承载力计算公式【A.第二届空间结构学术交流会论文集【c,1984.2胡维生,黄蓓,胡海波.网架焊接空心球承载力计算公式的研(下转第48页)