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城市軌道交通鋼桁梁橋設計中的探討

所屬欄目:交通運輸論文 發(fā)布日期:2013-01-15 08:46 熱度:

  摘 要:隨著城市軌道交通建設的日益增加,鋼桁梁結構由于具有跨度大、承載能力強、結構輕巧簡潔等特點而被廣泛應用。通常情況下,在設計時一般均假定桁架結構為鉸接,這種假定同實際情況并不完全相符,節(jié)點不是理想的鉸。本文對鉸接和剛接兩種模型進行比較分析,闡述了鉸接和剛接模型對鋼桁梁設計的影響。在鋼桁架梁橋中,次應力對橋梁結構設計影響很大,但是由于次應力的分析計算比較復雜,本文通過分析影響次應力的因素,就減少鋼桁梁次應力給出一些建議措施。

  關鍵詞:鋼桁梁,鉸接,剛接,分析

  引 言

  隨著城市軌道交通的建設,鋼桁梁的應用日益增加。在鋼桁梁計算中,一般均假定桁架結構為鉸接,進而計算桁架桿件的軸向應力。事實上,上述假定同實際情況并不相符,節(jié)點不是理想的鉸,結構中是不允許有任何變形的,各桿的初彎矩;各桿件的重心軸并不全部交匯于一點,而在節(jié)點處存在著偏心;桿件自重等荷載的存在等,都將導致桁架結構不僅只有軸力,還將產(chǎn)生附加力。同時,結構分析中,將鋼桁結構考慮為僅承受拉壓,不承受彎矩的結構,但由于構造上的原因,桁架桿件會由于承受彎矩而產(chǎn)生所謂的次內(nèi)力。本文通過對64m單線鐵路下承式道碴橋面鋼桁梁橋的計算分析,對鉸接模型和剛接模型在鋼桁梁設計中的影響及次應力對桁架梁的影響進行有益的探討。

  1 從以下幾個方面對鉸接模型和剛接模型在鋼桁梁設計中影響進行分析:

  1.1 對主桁架的影響

  結合該橋設計,分別建立桁架單元和梁單元模型,對該橋做有限元整體結構分析,計算主力組合荷載下該橋各桿件內(nèi)力,并進行比較,探討次應力對桿件結構設計的影響。該鋼桁梁橋全長65.1m,計算跨度64.0m,主桁中心距7.6m,節(jié)間長8.0m,桁高11.5m。主桁上、下弦桿截面形式均為口字形,斜桿截面形式為口字形和H形。主桁節(jié)點采用整節(jié)點形式。主桁上、下弦桿內(nèi)寬為500mm,豎板高度分別為540和520mm。橋面系縱、橫梁截面均為工形斷面,梁高分別為990mm和1270mm。上、下平縱聯(lián)的斜桿及支桿截面均為工形斷面,采用交叉式。鋼梁的主桁、橋面系、聯(lián)結系均采用Q345qE級鋼。該橋結構模型見圖1。

  主桁架是主要的承重結構。其作用是承受豎向荷載,將荷載通過支座傳給墩臺。

  兩種模型在主力組合的作用下,主桁架的內(nèi)力比較如表1:

  由表1可以得出主桁架在主力作用下,斜桿、豎桿、上弦桿軸力誤差小于等于3%,這主要是由于斜桿、豎桿采用工字截面,并采用整體節(jié)點板,斜桿、豎桿、上弦桿受力較小,所以由于彎矩產(chǎn)生的次應力較小,兩種模型對結構計算的結果影響很小。但在鉸接模型與剛接模型中,下弦桿軸力最大相差23.9%,位置在跨中處。這主要是由于下弦桿截面較高,桿的截面剛度大,所在跨中位置內(nèi)力較大。剛接模型空間整體性要好于鉸接模型,能使各桿件都能充分的參與工作,因此雖然存在彎矩次應力,但是鉸接模型計算出來的內(nèi)力仍然大于剛接模型。考慮到剛接模型還有剪力、彎矩、扭矩等的影響,在計算中采用鉸接模型進行設計是符合要求的。

  1.2 對上平聯(lián)的影響

  兩種模型在主力組合的作用下,上平聯(lián)的內(nèi)力比較如表2:

  由表2可知:上平聯(lián)在主力作用下,鉸接模型與剛接模型軸力最大相差7.6%,剛接模型中的次內(nèi)力也很小,兩模型對結構影響很小。

  1.3 對節(jié)點的影響

  本文對鋼橋中間節(jié)點E0、E4進行了細部應力分析,有限元分析采用實體單元進行模擬,計算中分別將上述剛接、鉸接模型計算得到的內(nèi)力作為邊界條件輸入細部分析模型。

  由于輸入荷載條件近似,僅下弦桿荷載有所差別,故分析得到的節(jié)點應力分布趨勢相近,應力集中位置如下:

  E0、E4號主節(jié)點,斜主桁(橋門架)與節(jié)點連接處兩側局部很小范圍內(nèi)產(chǎn)生了應力集中(為271.594MPa),其余部位應力約為80MPa左右,兩種模型對結果影響不大。

  1.4 對預拱度的影響

  為了保證線路在運營狀態(tài)下的平順性,鋼梁應當設置預拱度。常用預拱度值取恒載及一半活載作用下的結構撓度。采用不同的分析模型,計算得到荷載作用下的撓度顯然會有所不同,進而引起預拱度值有所差異。

  下表中列出了兩種不同分析模型計算得到的跨中撓度,用來進行預拱度的設置:

  由于采用鉸接模型后,結構剛度有所下降,荷載作用下跨中撓度略有增大,計算得到的橋梁預拱度分別為56.88mm(剛接),58.55mm(鉸接),誤差小于3%。實際工程中可以根據(jù)擇優(yōu)選擇剛接或鉸接模型,對預拱度的設置影響不大。

  1.5 對自振頻率的影響

  結構構件及其之間的連接方式對結構的整體剛度有顯著的影響,根據(jù)動力學理論,結構整體剛度又對系統(tǒng)自振頻率產(chǎn)生直接影響。以本橋為例,主桁桿件采用剛接或鉸接均對鋼橋自振產(chǎn)生顯著的影響。

  現(xiàn)有鐵路普遍存在橋梁剛度不足,列車通行時鋼橋橫豎向振幅過大等現(xiàn)象,該問題與設計過程中結構分析方法不準確、分析模型過于簡化有關。本文對兩種模型進行計算:

  (1) 主桁桿件之間采用鉸接;

  (2) 主桁桿件之間采用剛接;

  結構自振特性采用有限單元法計算;鋼橋上部結構桿件以空間梁單元模擬,橋門架以空間板單元模擬;橋面鋪裝及其他二期荷載轉(zhuǎn)換為分布質(zhì)量,不考慮剛度影響;自振頻率計算采用子空間迭代法。計算得到該橋自振頻率及振型:

  對于上述不同的分析模型,計算得到的結構第一階橫豎向自振頻率對比如下圖所示:

  通過對比分析可以得到以下結論:

  鉸接或剛接模型對鋼橋自振特性分析結果影響不大:當采用剛接模型,結構模型整體剛度略有提高,自振頻率增大,但變化不明顯,因此在結構動力特性計算中,采用空間剛接或鉸接模型影響均能滿足計算精度需求。

  參考現(xiàn)行《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》,對于下承式鋼桁梁橋橫向一階自振頻率應當滿足:

  對于本橋即有:f>2.33Hz,計算結果顯示,本橋一階橫向自振頻率2.59Hz,表明本橋橋梁剛度滿足設計要求,整體剛度較好。

  2 鋼桁梁結構中次應力:

  鋼桁梁結構中由于以下原因會產(chǎn)生很大的次應力:由于節(jié)點板的半剛性連接使桿件剛性增大;軸向力對桿件重心的偏心;桿件自重的影響、橫向連接桿件變形的影響等均會產(chǎn)生彎矩次應力。

  由于構造引起的次應力要想完全避免是不可能的,但是在鋼桁梁設計中,可以采取以下措施來減少次應力的產(chǎn)生:調(diào)整桿件截面以及節(jié)點板剛度,減少桿件寬度,避免采用分式節(jié)間,利用幾何角法設置預拱度,限制桿件長細比或桿件高長比等措施。

  3 結束語

  鋼桁架結構是一種空間結構,各桿之間的連接是剛性連接,目前應用計算機來計算空間結構已經(jīng)不很困難,最佳的計算方法應該是按照剛性連接的空間結構來分析,這樣設計出的結果才能更好的符合實際情況。但在實際工作中有時還是沿用簡化的計算方法,雖然簡化的方法不能考慮次應力的影響,但是由于將鋼桁梁橋跨分成若干個平面結構后,結構空間整體性的影響不能考慮,計算的結果包括軸力、應力、撓度、頻率等都偏于安全,能滿足工程設計要求。

  結構構造的原因所產(chǎn)生的次應力,是不可能完全避免的。在日本鋼結構專家小西一郎的《鋼橋》中指出“節(jié)點剛性所產(chǎn)生的次應力,在桿件長細比甚小的情況下,數(shù)值會變得相當可觀,此時在確定桿件截面尺寸和計算節(jié)點結構強度時,必須計入次應力影響。”在設計中應控制桿件截面高度不超過長度的1/10~1/15,以減小次應力的影響。除此之外,還可以采取調(diào)整桿件截面高度,盡可能的將節(jié)點做的緊促些,盡可能的使各桿件軸線交于一點等措施來減小次應力的影響。

  參考文獻

  [1]鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范 [S] 北京:中國鐵道出版社,2008

  [2]鋼橋[M] 北京:中國鐵道出版社,2003

  [3]鋼橋[M] 北京:小西一郎,1980

文章標題:城市軌道交通鋼桁梁橋設計中的探討

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