混凝土主梁（精选8篇）
混凝土主梁 篇1
近年来,双边箱主梁截面结构重量轻、施工方便等优点而在大跨度斜拉桥中被广泛采用。由于斜拉桥主梁以受压为主、受弯为辅、同时需要一定的抗扭刚度的受力特点,所以双边箱主梁设计中是比较理想的断面型式。本文主要介绍了双边箱主梁的设计,针对超宽预应力混凝土双边箱主梁设计提出了需要特别注意的几个关键点,并针对这几个关键点的计算模拟提出了可行的方法和步骤。
1 工程概况
龙湾大桥位于广东省佛山市禅城区南庄镇及南海区西樵镇,跨越顺德水道;全长4.4 km,双向8车道加人行道,设计车速80 km/h;荷载标准:公路-I级。桥位处于顺德水道南沙涌、吉利涌交汇口之间,建设条件复杂,是广东省著名险段,河道弯曲,河床冲刷严重,是防汛的重点防守段之一。
2 总体设计
主桥预应力混凝土斜拉桥采用双塔双索面半漂浮体系。跨径组合为(30+125+290+125+30)m,塔墩固结、主梁半飘浮结构体系,边、中跨之比为0.431,主梁全宽32.5 m。主梁上拉索间距5.5 m,塔上拉索间距1.75 m。主塔为A型空间索塔,采用C55混凝土,塔内设有劲性骨架。主塔基础采用20根直径2.8 m钻孔灌注桩。主塔采用爬模施工。
桥梁总体布置见图1。
主桥的总体布置需要考虑现场的地理环境、结构的受力等多个因素。由于现场地形的限制,锚墩只能设置在大堤外侧。同时遵循以下几个原则。
1)边跨配重应使结构在恒载作用下边墩和锚墩支座不产生拉力,且在运营期间支座的拉力控制在一定的范围内,便于下部结构设计和支座生产。
2)控制斜拉索应力幅,拉索受力均匀,规格合理。
3)主梁应力满足规范要求,同时最小压应力应有一定的富余。
4)结构体系刚度满足要求,主梁在汽车荷载作用下的最大挠度小于规范规定,并有一定的富余。
5)主梁的设计要考虑方便施工。
3 主梁结构
主梁采用预应力混凝土双边箱断面,全宽32.5 m,中心线处高度3.0 m,顶板设双向2%横坡,采用C55混凝土。主梁采用前支点挂篮悬臂浇筑施工,考虑到结构受力、节段重量、张拉设备和施工周期等因素,标准梁底长度取用5.5 m,节段重量约为440 t,悬臂施工节段共25个。
主梁纵向、横向均施加预应力,采用直径Φs15.2 mm、标准强度fpk=1 860 MPa的高强度、低松弛钢绞线,规格为15-9、15-12和15-15,桥面板采用钢绞线扁锚BM15-3。预应力管道采用塑料波纹管,真空辅助压浆工艺,确保管道内注浆密实,提高混凝土耐久性。
为控制施工过程中主梁应力,悬臂施工节段配置JL32 mm、fpk=930 MPa精轧螺纹钢筋作为施工预应力,精轧螺纹钢筋逐段张拉,并设连接器接长。
主梁构造见图2。
4 计算荷载及效应组合
采用平面和三维空间梁单元模型,根据施工阶段和运营阶段,按照各种荷载工况的最不利效应组合,对主梁进行计算分析。主要的作用和荷载如下[1]。
1)恒载。结构自重、混凝土收缩徐变影响力及基础变为影响力。
2)活载。汽车荷载和人群荷载,同时考虑汽车的冲击力和制动力。
3)温度作用。整体升降温作用及局部温差作用。
4)风荷载。考虑桥面高度处为25 m/s的运营风和百年一遇的设计基本风速2种情况,按照风的方向与桥梁轴线的相对关系,又分为顺桥向风荷载和横桥向风荷载。
5)施工荷载。计入模板及临时安置主塔主梁结构上的施工设备的重量,考虑施工阶段模板及挂篮的不对称性。
按照施工阶段和运营阶段,对以上作用和荷载进行最不利效应组合,主要有以下几种(见表1)。计算结果表明,强度、刚度和温度均满足相关规范的要求。
根据有限元计算,主梁最大压应力和拉应力均出现在锚墩附近。锚墩的设置可以改善主梁的受力,但是由于现场条件的特殊情况,锚墩设置在大堤以外,比较靠近边墩,所以对主梁受力改善不大。为此,可以采取多种措施进行改善:首先在锚墩墩顶设置可调支座,根据施工和运营等不同的工况调整锚墩支座来改善主梁在不同状态下的受力;其次在锚墩墩顶段主梁处进行压重[2]。
5 受力分析
5.1 横梁及桥面板局部计算分析
从受力模式上分,主梁的横梁主要分为以下几种:主墩处横梁、标准段横梁、锚墩横梁、边墩横梁。
根据受力大小也可以将每种横梁再进行细分。每种横梁的受力模式都不相同。对于主墩处横梁,主要承受主塔支座反力和汽车直接作用的荷载,受力较为明确。对于标准段横梁,考虑到运营阶段,当汽车作用在边跨和中跨时横梁受力模式不同,同时拉索力也在不断变化,为了能够包含所有状态,计算时需要考虑多种工况进行配置横梁钢束。锚墩横梁受力较为复杂,锚墩横梁承受拉索力、锚墩的支座反力和汽车荷载。
由于汽车作用在不同位置时,拉索力和锚墩的支座反力均在变化,特别是锚墩处由活载引起的支座反力,可能是正负变化的,汽车作用在中跨时,锚墩处活载支座反力为负,汽车作用在边跨或者锚跨时,锚墩处活载支座反力为正。计算时需要考虑这2种极端工况。对于边墩横梁,也存在活载支座反力正负变化的情况,但是没有拉索力。
横梁及桥面板的受力计算主要分以下2步完成。
1)对于横梁,采用平面简化模型计算,初步确定横梁预应力的配置。对于桥面板,针对不同区域,按照单向板或者双向板计算,初步得出需要的配筋。
2)采用ANSYS建立空间三维实体模型,取3个标准节段长度进行受力分析,考虑到汽车车轮作用在不同位置,验算横梁和桥面板的受力[3]。
5.2 拉索锚固区局部分析
主梁上拉索锚固区有纵向预应力筋、横向预应力筋以及拉索共同作用,局部受力较为复杂。
为掌握主梁拉索锚固区的局部应力状态,设计取拉索力最大的2个节段进行局部应力分析,建立三维实体单元,并考虑拉索力、纵横向预应力等,计算出锚固区最大主压应力和最大主拉应力,根据主应力的方向配置加强钢筋和钢垫板,以保证锚固区在局部应力较大的区域满足要求。
5.3 施工挂篮止推块对主梁影响受力分析
大跨度预应力混凝土斜拉桥主梁大多采用前支点挂篮悬臂浇筑施工工艺。
为抵抗斜拉索的水平分力,需要在主梁和挂篮之间设止推装置;止推装置包括主梁止推机构和挂篮止推机构两部分,通过两者之间相互咬合连接,将斜拉索水平分力传递到已形成混凝土主梁上,阻止挂篮发生后退。在主梁设计时也有必要考虑止推机构对主梁的影响,以保证主梁悬臂浇筑施工过程中的安全。
主梁止推机构有很多种形式,本桥根据综合比选,选择连接拉杆式。拉杆锚固在箱梁底板、腹板和横梁角点处,相应在此处设置混凝土锚固齿块。由于此处距离拉索锚固区较近,局部应力也较为复杂,所以在拉索锚固区局部分析模型的基础上,模拟挂篮止推锚固齿块和施工期间止推拉杆力,根据主应力的方向,设计时主梁局部进行加强,如锚固齿块的构造和配筋等。
6 结语
预应力混凝土斜拉桥受力复杂,特别是横梁、拉索锚固区等几个重点部位。通过对其进行空间的受力分析,让我们对预应力混凝土斜拉桥双边箱主梁的关键部位受力有了进一步的了解,同时也为类似桥梁的设计计算提出了可供参考的计算步骤和方法。
参考文献
[1]林元培.斜拉桥[M],北京:人民交通出版社,1997.
[2]詹建辉.荆州长江大桥主跨PC斜拉桥设计计算分析[J],桥梁建设,2000(4):23-25,34.
[3]张茜,奉龙成.斜拉桥肋板式主梁设计[J],山西建筑,2008,34(14):348-349.
混凝土主梁 篇2
斜拉桥按索塔数量来划分可以分为独塔、双塔和多塔斜拉桥。独塔斜拉桥是一种常用的斜拉桥布置方式, 在斜拉桥中占有较大比重, 由于它的主孔跨径一般比双塔三跨式斜拉桥跨径小, 因而特别适合用于跨越中小河流、谷地及作为跨线桥, 并且在大多数情况下独塔斜拉桥与周围环境融合在一起, 其造型是很美的。
本文以某独塔双索面混凝土斜拉桥为例, 通过大型结构分析程序midas civil 2012建立整体计算模型, 得出此类斜拉桥主梁设计应注意考虑的问题。
2 工程概况
本桥为人字形塔、独塔、双索面、墩塔梁固结混凝土斜拉桥。主桥跨径布置为110m+110m, 合计220m。拉索布置形式为扇形, 拉索为空间索。标准断面为:3.5m (人行道) +1.0m (索区) +4.5m (非机动车道) +0.5m (防撞墙) +7.5m (机动车道) +0.5m (轻质护栏) +7.5m (机动车道) +0.5m (防撞墙) +4.5m (非机动车道) +1.0m (索区) +3.5 (人行道) =34.5m。其中在塔根部相接处局部变宽。
梁采用边组梁断面形式, 桥梁中心建筑高度为2.5m (不含桥面铺装10cm) , 高跨比1/44, 标准段全宽34.5m (在塔根部局部变宽) 。主梁由双箱梁、桥面板和横梁组成。主梁为双箱单室截面, 边腹板采用直腹板, 两箱梁通过横梁及桥面板连接, 箱梁顶面设2%横坡, 通过箱梁腹板高度调节。横隔板纵向标准间距为6m, 支撑计算跨度27.9m, 横隔板宽0.5m, 桥面板厚28cm。塔、墩、梁固结处主梁顶面全宽41.5m。翼缘长度2.45m, 悬臂板端部厚0.2m, 根部厚0.45m;腹板厚0.5~0.7m, 底板厚0.25~0.45m。
主肋靠近塔根部时, 边腹板逐渐变宽至5.16m。
端锚索与主梁夹角为33.45° (未计纵坡) , 在梁上的索距为6m, 每索面拉索共16对。拉索张拉端位置设在边腹板下缘, 张拉端位置设置张拉槽。拉索固定端设在塔内。拉索施工完毕后, 张拉槽用铝材盖板封闭, 保持全桥外观的整洁, 需要时可以打开维修。在必要时可更换任意一根拉索, 不影响正常交通。
主塔在桥面以上结构高度约68m, 采用人字形混凝土结构塔, 塔截面为空心截面, 塔截面顺桥向总长6m, 横桥向顶宽5m, 在分叉处横桥向宽度约为10.9m, 分叉后塔柱横桥向宽度为3m。锚固区挖空尺寸为4m×1.1m, 其余断面挖空尺寸为4m×1m。为抵抗拉索水平分力, 塔内设井字型预应力筋。塔内部有足够空间, 以方便施工和日常维护保养。
斜拉索采用扇形索面布置, 采用双层热挤PE护套半平行钢丝拉索体系, 外层为彩色 (颜色由业主确定) 。拉索张拉端梁上水平间距为600cm, S1~S9拉索锚固点塔上竖向间距为180cm, S10~S16塔上竖向间距为150cm。
斜拉索采用定型产品, 全桥共64根拉索, 分3大类。规格分别为:PES7-253 (S1~S3) 、PES7-199 (S4~S5、S16) 、PES7-187 (S6~S15) 。锚具采用相应规格的PESM型冷铸锚。
斜拉索的材料及制造安装均应满足《斜拉桥热挤聚乙烯高强钢丝拉索技术条件》 (GB/T18365-2001) 的要求。采用Φ7mm高强镀锌平行钢丝 (fpk=1670 MPa) 。
拉索设计安全系数取2.5。
主墩墩身与塔一体, 顺延主塔截面形式, 在桥面以下横桥向墩身方向发生变化由上至下向桥梁中心倾斜, 与水平面夹角为100°。主墩坐落在一个大承台上。承台厚度4.5m, 全宽为16.8m×48.5m。主墩承台下接40根直径1.8m的大直径钻孔灌注桩, 桩长为80m, 桩间距为4.6m;桩底持力层为密实粉砂层, 桩按摩擦桩设计。过渡墩采用承台桩柱式过渡墩, 三个墩柱间距均为13.95m;每个墩柱下设6.4×6.4m承台, 厚度为2.5m, 采用系梁连接;每个承台下设四根直径1.5m钻孔桩, 桩长47m。桥台采用钢筋混凝土U型台, 承台厚度为2m, 每个承台下设14根直径1.2m桩基, 桩长40m。
主桥采用满堂支架施工方法, 由主塔开始向两侧对称施工。索塔可采用劲性骨架提升模板法施工。主桥施工顺序:先进行全桥桩基础、下部施工, 然后现浇墩塔 (计算模型中施工工期按30d计算) , 搭设满堂支架并按主梁自重的1.1倍进行预压, 浇注主梁混凝土 (计算模型中施工工期按80d计算, 由主塔向主梁端部依次分阶段浇注施工) 。张拉主梁内横向和纵向预应力钢束 (计算模型中施工工期按3d计算) ;张拉桥塔锚固区预应力钢束;然后依次张拉S1~S16斜拉索 (计算模型中施工工期按16d计算) 。确保主梁和主塔混凝土强度达到100%及弹性模量达到100%后方可进行体内预应力及拉索施工。拆除满堂支架, 施工桥面铺装及桥面附属设施 (计算模型中施工工期按20d计算) 。进行全桥索力调整, 全面成桥。
3 技术标准
本桥的设计标准为城市主干道, 设计车速60km/h。
桥梁荷载设计标准:
(1) 可变作用
汽车荷载:公路—Ⅰ级;风荷载:根据资料, 桥址区频率1/100, 地面以上高度7.1m的10min平均风速为28.6m/s, 查《公路桥涵设计通用规范》, 桥址区基本风压取50k Pa, 换算成基本风速为33.4 m/s, 设计按换算基本风速37.6 m/s进行计算;温度荷载:体系温差±25℃, 梯度温差按《公路桥涵设计通用规范》 (JTG D60-2004) 取值, 索温差±15℃, 主塔两侧温差±5℃;纵、横向风力按《公路桥涵设计通用规范》 (JTG D60-2004) 取值;制动力按同方向行驶的四列车队计算, 每一个车道的制动力为一行汽车车队总重力的10%。制动力作用在桥面以上1.2m。
(2) 偶然作用
地震作用:抗震设防烈度为7度。
4 整体结构分析
整体结构采用桥梁专业计算软件Midas civil进行分析。主梁采用梁单元模拟, 拉索采用桁架单元模拟。通过设置刚性连接模拟主梁与斜拉索、斜拉索与桥塔之间的连接。各个构件按照结构实际尺寸输入。整体计算模型共有节点257个, 单元189个, 按施工工序分析了施工各阶段及成桥运营阶段的应力及变形, 所考虑的荷载为:自重、二期恒载、基础变位、混凝土收缩徐变、公路-Ⅰ级车道荷载、人群荷载、整体温变、局部温变、索温差、塔温差、纵向风力、横向风力、汽车制动力等。计算模型示意见图1。
4.1 主梁正常使用极限状态荷载组合
根据相关公路和城市桥梁设计规范, 成桥状态使用极限状态荷载组合如表1:
4.2 主梁使用极限状态抗裂验算
主桥正常使用阶段, 按部分预应力A类构件验算的抗裂性见表2。拉为正, 压为负。
由表2可知, 短期组合下主梁主拉应力略超过规范允许值。经分析, 超标位置发生在边跨梁端无索区, 主要是扭转引起的。主梁主拉应力图见图2及图3。
由图2及图3可以看出, 采用平面杆系进行结构分析时, 在只考虑剪切的情况下, 主梁最大主拉应力为0.61MPa, 满足规范要求。而在考虑剪切和扭转共同作用及剪扭的情况下, 主梁主拉应力略微超过规范允许值。
由图4可知, 虽然在有索区汽车产生的最大主拉应力为3.14MPa, 但是由于双面空间索的存在, 提高了主梁的抗剪扭刚度, 因此有索区主拉应力满足规范要求, 而无索区汽车产生的主拉应力虽然仅为1.31MPa, 但是该区域仅由主梁提供抗剪扭刚度, 因此造成了该部位在考虑剪扭的情况下, 主拉应力略微超过规范允许值, 经分析主要是本桥横向宽度较大, 因此汽车偏载作用下扭转效应明显, 而此处截面抗扭刚度略显不足, 设计时应予以足够的重视。
5 结论
通过建立全桥整体模型进行了独塔双索面混凝土斜拉桥主梁受力分析, 主梁抗裂基本满足规范要求。
主梁主拉应力在考虑剪扭的情况下, 主拉应力略微超过规范允许值, 可适当加大无索区截面尺寸, 提高截面抗扭刚度来解决。
平面杆系通常只能考虑剪切引起的主拉应力, 而考虑不到扭转, 因此在进行此类斜拉桥设计时, 尤其是截面横向宽度较大时, 尤其要注意汽车荷载引起的扭转应力对主梁主拉应力的影响。
摘要：以某独塔双索面混凝土斜拉桥为例, 通过大型结构分析程序midas civil 2012建立斜拉桥整体计算模型, 得出此类斜拉桥主梁设计时应注意考虑的问题。
关键词：独塔双索面斜拉桥,剪扭,主梁受力分析
参考文献
[1]刘士林, 王似舜.斜拉桥设计[M].北京:人民交通出版社, 2006.
混凝土主梁 篇3
为了将模糊可靠性设计理论应用于桥梁主梁的截面设计,利用ANSYS有限元软件对一双索面斜拉桥进行了静力分析,找出了该桥主梁弯矩效应最大的截面,同时分析了影响弯矩效应与主梁抗弯承载力的`模糊因素,并利用模糊可靠度公式对主梁的正截面进行抗拉钢筋的配置,通过验算表明结果符合设计要求.
作 者：郭炽斌 尹益辉 GUO Chi-bin YIN Yi-hui 作者单位：郭炽斌,GUO Chi-bin(西南科技大学土木工程与建筑学院,四川,绵阳,621010)
尹益辉,YIN Yi-hui(中国工程物理研究院四川绵阳中物院,四川,绵阳,621900)
混凝土主梁 篇4
从1915年德国科隆-迪兹桥诞生至今, 自锚式悬索桥已走过100 a的历史。混凝土自锚式悬索桥是我国先于国外桥梁的尝试, 从2002年大连金湾大桥开始, 累积诸多设计施工经验, 本文以广西钦州子材大桥为例, 进行混凝土主梁方案的比选研究。
根据不同的建设条件、桥型方案以及造价与维护等因素, 自锚悬索桥主梁主要有混凝土梁、钢箱梁、叠合梁以及钢桁架梁等不同的结构型式。
国内外较大跨度的自锚式悬索桥, 常采用正交异性桥面板钢箱梁, 如日本此花大桥、美国旧金山海湾桥[1]、中国桃花峪黄河大桥[2]、中国长沙三汊矶桥[3]等。钢箱梁轻盈通透, 但总体造价较高, 维护要求多。叠合梁较混凝土梁轻, 钢结构构件较小, 便于制造、运输和架设。性能介于混凝土主梁和钢箱梁之间。国内如苏州竹园大桥、哈尔滨阳明滩大桥[4]采用叠合梁。但是其钢结构加工、桥面板预制等过程较为繁琐, 没有避免钢结构的维护问题。
对于钢梁和叠合梁而言, 较大的初始压力, 需要增加局部加劲等构造, 满足稳定需求, 截面使用效率低于受弯构件。在200 m主跨范围内, 国内较多采用混凝土自锚式悬索桥。虽然主梁自重大, 缆吊系统和基础工程规模相应有所增加, 但总体上造价较为经济, 后期维修养护工作量少。
2 子材大桥主梁断面比选
2.1 工程概况
广西钦州市子材大桥工程位于钦州市中心城区, 起于子材西大街, 跨钦江, 连接子材东大街。工程中桥梁长约488.44 m, 两侧接线引道长约431.56 m。双向6车道规模, 含非机动车道 (近期) 和人行道, 接线道路与桥梁同宽。总体设计在满足交通功能与航务水利的前提下, 充分考虑景观定位、投资控制、施工便捷、使用耐久和便于养护等因素后, 采用跨径组合为65 m+158 m+65 m的混凝土自锚式悬索桥, 桥宽35.5 m, 主塔高38.25 m, 工程造价近2亿元。
主桥总体布置示意见图1。
2.2 主梁断面比选
子材大桥主跨158 m, 桥位水面较窄, 水深较浅, 具备支架施工条件。综合考虑性能、造价、施工和景观等因素, 主梁采用预应力混凝土主梁方案。
常规混凝土自锚悬索桥主梁截面有箱形截面和双主梁截面2种形式。前者如辽宁朝阳黄河大桥和抚顺万新大桥[5], 后者如绍兴镜湖大桥[6]和延吉市局子街桥。在跨径布置和矢跨比不变的情况下, 整体箱形截面的应力水平要低于双主梁截面, 而前者混凝土材料用量仅比后者大不到10%, 同时考虑双主梁截面的预应力材料数量适当增加。因此2种类型截面主梁的造价大致相当。但是考虑到整体箱形截面主梁自重增加引起缆吊材料增加10%, 进而增加整体造价。此外, 主梁自重增加也将加大索夹尺寸, 影响全桥外观。主梁材料与力学指标表见表1。
表1列出了3种截面的主要材料与力学指标。整体箱形截面应力水平较低, 主梁混凝土材料指标略高, 梁重较大, 对施工支架要求高, 主缆和吊杆规格在常规范围内, 缆吊系统景观效果略差;分离式双箱梁截面应力水平满足规范要求, 桥面应力水平略高, 主梁材料指标较低, 对施工支架要求一般;分离式双∏梁应力水平最高 (需采用C55混凝土) , 整体性能差, 主梁材料指标最低, 对施工支架要求最低。增加截面对于减小主梁应力的效率较低, 而自重增加后对缆吊系统的要求更高, 全桥整体性能不佳。
子材大桥的景观要求较高, 主塔采用无横撑塔柱, 其外形尺寸控制较为严格。主梁重量的增加不仅加大主塔断面, 还将增加基础规模、缆吊规格以及索夹尺寸。
考虑到支架施工的便捷性与经济性, 分段浇注降低混凝土方量等因素, 最终采用分离式双箱梁方案, 使桥下净空较小, 断面利于桥梁整体景观。
混凝土主梁截面比选示意见图2。
3 主梁锚固构造
主缆锚固构造是自锚式悬索桥的关键节点, 有后锚式和前锚式2种形式。已建自锚式悬索桥多采用后锚式。由于本桥采用分离式混凝土箱形主梁, 锚固区局部5.5 m的梁高对景观效果影响不大, 本桥选择后锚式。
在已建自锚式悬索桥中, 后锚式又分为3种方式:锚固在主梁锚碇体的后端面;向下转向锚固于锚固墩上;连续绕在梁端的帽梁上, 连接为环形锚固方式[5]。
若采用转角锚固方式C, 需要在锚固区段设置较大的锚室, 景观效果较差, 另外锚固构造复杂、索股安装不方便, 应用较少。若采用锚固方式B, 则桥墩和主梁连成刚构体系, 本桥桥墩高度较低, 将产生较大温度力对桥墩受力不利。比选之后本桥采用锚碇体锚固方式A, 即主缆锚固在外露于主梁锚碇体的后断面。
本桥主缆锚固体构造示意图见图3。主缆索股轴力作用在锚固端面上, 通过锚固体传到主梁上, 经过锚固区段厚度较大的腹板和横梁后, 压力均匀作用于主梁截面。为了改善锚固体混凝土结构受力性能, 在前锚面区的钢管之间设置普通钢筋, 索股在后锚面处的竖向间距为60 cm, 横向间距为45 cm。为了抵抗索股轴力的剪切作用, 前后锚面间距5.5 m。在散索室设置抽湿设备和保护罩, 增强主缆防腐性能。
对于分离式双箱梁而言, 主缆轴向压力直接作用于主梁。而采用整体箱型断面时, 主缆在端部作用的轴向压力需要传递一段距离, 才能逐步分布到全断面。桥面越宽, 传递的距离越长。这种情况下, 边跨主梁端部的纵向受力, 在采用梁单元模拟时存在不安全的偏差。
4 子材大桥主梁设计与施工
子材大桥主梁采用预应力混凝土分离式双箱梁断面, 吊杆中心位置的梁高2.23 m, 跨中梁高2.34 m。桥面设置双向横坡1.5%, 梁底为水平布置。标准段顶、底板厚度均为35 cm, 腹板宽度均为80 cm。横梁间距6 m, 标准中横梁腹板厚20 cm, 下设50 cm宽的马蹄, 伸入箱体内的厚度60 cm。标准桥面板厚度22 cm, 为改善其局部受力, 设置间距3 m的小纵梁。在桥塔附近部位, 采用双箱双室断面, 保证传力顺畅。尾部端横梁在主缆中心处的梁高为5.5 m, 横向跨中梁高3.5 m, 横截面箱形断面。在主缆锚固区布置竖向预应力钢筋。主梁采用C50混凝土, 纵向预应力、横梁预应力及桥面板预应力束均采用φs15.24高强低松弛预应力钢绞线。主梁1/2横断面示意图见图4。
混凝土主梁的线型与重量偏差对于全桥整体受力和缆吊系统施工影响较大。施工时采用1.2倍荷载预压满樘支架。在模板制作、安装以及混凝土浇筑环节严格控制截面尺寸。主梁从东向西分3段进行浇筑施工, 每段长度约100 m。箱梁浇筑时先施工小横梁, 再施工两侧吊索部位箱梁, 最后浇筑面板。箱形断面部分采用2次浇筑, 第一次浇筑到腹板上承托处, 第二次浇筑完成全断面。分层浇注混凝土的龄期差宜在7 d以内。混凝土采用泵送入模方式进行浇筑。建成的子材大桥实景见图5。
5 结语
主梁作为自锚式悬索桥的主要受力构件, 常见的整体箱梁、分离式双箱梁和分离式双∏梁中, 前2种较适合宽度较大的自锚悬索桥, 而分离式双∏梁仅适合宽度较小的桥面。其材料、截面形式、锚固构造等参数应根据具体桥梁的参数比选确定。全桥各个设计参数相互影响, 应综合考虑。
子材大桥宽度大、恒载重、景观要求高等特点, 决定了其独特的参数体系。采用分离式双箱主梁断面较好地满足结构受力、缆吊系统设计、景观以及施工等诸多方面要求。子材大桥经过2 a多的运营, 各项性能良好, 已经成为钦州市内的一座标志建筑。
参考文献
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混凝土主梁 篇5
在混凝土桥梁结构所发生的各种缺陷中,根据其结构类型、构造形式、缺陷部位和形式的不同,一般可划分为表层缺陷和内部缺陷两类。
混凝土结构的表层缺陷主要有:蜂窝、麻面、露筋、孔洞、层隙、磨损、表面腐蚀、混凝土老化、剥落、表面裂缝、掉角和构件变形、接缝不平等。
混凝土内部缺陷主要有:混凝土强度标号、抗渗标号、抗冻标号不足,内部空洞和蜂窝,钢筋型号、数量、位置不对,焊接质量不良以及混凝土保护层不足、钢筋锈蚀等。
混凝土构件表层缺陷往往是由于设计或施工不当造成的,如:
(1)蜂窝是混凝土在灌筑过程中如果缺乏应有的振捣、以及运输过程中混凝土出现离析、支模时模板缝隙不严,使得水泥砂浆流失等都可以产生,或者因结构设计或材料配比不合理,钢筋间距过密、混凝土粗骨料粒径太大或坍落度过小时,也可导致蜂窝的形成。
(2)漏筋的产生很大程度上是因施工质量差所引起,如灌注时钢筋保护层垫块发生位移,钢筋紧贴模板,保护层处振捣不实或漏振等,此外,当梁桥梁体因为外界或自身原因出现裂缝,降雨天气里,雨水浸入梁体裂缝,使得钢筋锈蚀膨胀引起表层大面积脱落,从而促成漏筋现象出现。
(3)麻面的发生主要是因为施工时采用了表面不光滑的模板,以及模板在湿润时不够充分,造成梁体表面混凝土内的水分被模板吸收,从而使得麻面现象出现。
(4)空洞其成因可以从结构设计和施工过程中寻求。如果在结构设计时钢筋选配不当,使得钢筋布置过密,则可能造成该病害的产生,同时,在施工时碎石被钢筋网卡住,又未充分振捣就继续灌注上层混凝土,此外,严重漏浆亦能产生空洞现象。
(5)磨损的成因大致有混凝土强度不足,表层细骨料太多;车轮磨耗和高速水流冲刷,水流中又夹带大量砂石等。
(6)混凝土的锈蚀、老化、剥落(见图3)其成因主要有:当保护层太薄,在自然条件下,表层混凝土极易发生水化反应,出现碳酸钙粉末或碳酸钙晶体,从而失去表层的保护作用,致使保护层剥落,进而出现钢筋锈蚀现象;结构出现裂缝时,雨水浸入裂缝内部,使得钢筋发生化学及物理反应,从而出现锈蚀;钢筋锈蚀膨胀引起剥落;严寒地区冰冻及干湿交替循环作用;有侵蚀性水的化学侵蚀作用。
(7)表层成块脱落主要是由于外界作用所致,如车辆撞击、船舶或其他坚硬物体的撞击等。
混凝土构件内部缺陷多数也是由于:
①设计不当,包括结构不合理,计算上出现差错及图纸不完善等。
②施工不当,包括施工质量差,偷工减料,操作违反规程等。
③外部因素,主要指交通流的增加,超载车辆作用,地震、洪水等自然灾害以及海水、污水和化学气体的侵蚀作用等。
2 钢筋混凝土桥梁结构裂缝特征及产生原因
(1)裂缝的分类
实践表明,混凝土结构的任何损伤与破坏,一般都是首先在混凝土中出现裂缝,裂缝是反映混凝土结构病害的晴雨表。混凝土结构的裂缝是由材料内部的初始缺陷、微裂缝的扩展而引起的。引起裂缝的原因很多,但可归纳为结构裂缝和非结构裂缝两大类。
结构裂缝:主要由外荷载作用引起的裂缝,包括弯曲裂缝、剪切裂缝、断开裂缝、扭曲裂缝和局部应力引起的裂缝等,其裂缝的分布及宽度与外荷载有关。这种裂缝的出现,预示结构承载力可能不足或存在其他严重问题。
非结构裂缝:主要由变形引起的裂缝,如温度变化、混凝土收缩等因素引起的结构变形受到限制时,在结构内部就会产生拉应力,当此应力达到混凝土抗拉强度极限值时,即会引起混凝土裂缝,裂缝一旦出现,变形得到释放,拉应力也就消失了。
调查资料表明,在两类裂缝中以变形引起的裂缝占主导的约占80%;以荷载引起的裂缝占主导的约占20%。
(2)钢筋混凝土桥主梁常见裂缝特征
①网状裂缝
此种裂缝为非结构裂缝,裂缝比较细小,宽度约0.03～0.05mm,用手触及有凸起感觉,多为混凝土收缩所引起的表面龟裂。
②下缘受拉区的裂缝
此种裂缝为非结构性裂缝,多发生于桥梁跨中部一定范围,梁跨度越大,裂缝越多;其自下翼缘向上发展,至翼缘与梁肋相接处停止,裂缝间距约0.1～0.2m,宽度约为0.03～0.1mm。其多为混凝土收缩和梁受扰曲所致。
③腹板上竖向裂缝
该裂缝为最常见也较为严重的一种结构性裂缝。裂缝多处于梁的薄腹板部分,在梁的半高线附近裂缝宽度较大,一般在0.15～0.3mm,梁的跨度越大,裂缝越宽越长。在荷载的作用下向上、下两端延伸。裂缝一般在跨中附近宽度较大,两侧逐渐变窄。裂缝部位及走向在一片梁的内外侧大致吻合,形成对裂或环裂(U型裂缝),一般外侧裂缝较内侧宽而长。其成因多系设计不当(如梁底钢筋配置不足、构造尺寸偏小、梁腹板纵向钢筋布置较稀等),以及施工质量差、养护不及时或温度及环境条件的不良影响所致。
④腹板上的斜向裂缝
是钢筋混凝土梁中出现最多的一种结构性裂缝,且多分布在跨中两侧,离跨中越远倾斜角越大,反之越小,倾斜角在150～450之间,第一道裂缝多出现在距支座0.5～1.0m处,裂缝宽度一般在0.3mm以下,该种裂缝的产生多为设计上的缺陷,即主拉应力较计算大,使得混凝土不能负担而导致裂缝产生,而施工不良又会加快裂缝的产生和发展。
⑤施工运梁不当引起的梁顶横向裂缝
该类裂缝多为结构性裂缝,主要是由于在运梁时,支撑点未设在梁的吊点上,而是过于偏向跨中,导致支撑点处梁上缘出现负弯矩,引起梁顶面横向开裂。裂缝位置随支撑点的不同而变化,程度也不同。
⑥梁端上部裂缝
一般表现为由下往上开裂,为结构性裂缝。严重时裂缝宽度可达0.3mm以上。主要原因是由于墩台不均匀下沉,造成梁端局部支承压力增大,产生过大的局部应力所致。
⑦梁体侧面的水平裂缝
为非结构裂缝,其特征为近似水平方向的层裂缝,主要产生原因是因为施工不当,分层浇注,且间隔时间较长引起的。
⑧梁底纵向裂缝
为非结构裂缝,在空心板结构中比较常见,其特征为沿下翼缘主筋方向的裂缝,其产生主要原因为混凝土保护层过薄,板内积水渗出,经多次冻融循环作用导致板底混凝土沿纵向开裂,严重的可延伸至板的两端。
3 钢筋混凝土桥主梁结构缺陷修补措施
(1)结构缺陷的危害
一般来讲,钢筋混凝土桥主梁的表层缺陷虽不会导致大的安全事故,但由于其受到内部和外部各种不利因素的影响,加上常年累月的不断恶化,往往会有扩大的危险性,进而导致如钢筋腐蚀加剧,混凝土构件有效尺寸减少或混凝土强度降低,使结构的耐久性大大降低,严重时会削弱结构的强度和刚度,缩短结构的使用寿命,危及桥梁结构的安全使用。
而内部缺陷,包括结构的裂缝(主要指受力裂缝)危害性更大,都会直接危及结构的安全使用,严重的会导致结构的直接破坏。
因此,对于结构的表层缺陷应及时维修,以防表层损坏的进一步扩大,避免发生更严重的破坏。而对于结构的裂缝和内部缺陷,应及时查清其规模和产生原因,及时加以处理,必要时采取加固补强措施进行处理。
(2)结构缺陷的修补措施
①对于由于渗水、洪水等原因造成的梁体产生污垢时宜用清水刷洗,不宜用化学试剂清洗,以避免对结构的进一步腐蚀。
②对梁板体出现的空洞、蜂窝、麻面、表面风化、剥落等应先将松散部分混凝土清除,再根据实际情况采用高标号混凝土或水泥砂浆进行填补。
③梁板若出现钢筋裸露或钢筋保护层开裂、剥落等现象,应先将松动的保护层凿除,并对钢筋进行除锈处理,如损坏面积不大可用环氧砂浆修补,否则需考虑采用高强混凝土或喷射高标号水泥砂浆修补的措施。
④当梁板的横、纵向联结构件、钢板和钢筋等出现开裂、开焊、断裂等损坏时可采取更换、补焊、帮焊等修补措施。
⑤对于钢筋混凝土梁板出现的非结构性裂缝,当裂缝比较细小时可采用环氧树脂胶进行涂刷或沿裂缝裸露面凿成槽型豁口后,在裂缝两边5～10mm范围内将混凝土处理干净,然后用高强混凝土或环氧砂浆进行填充的封闭处理方式。
⑥对因结构受力产生的较大的裂缝,经验算结构无法满足强度和使用要求时,应首先注胶封闭裂缝,再根据需要采用粘贴纤维材料或钢板、钢筋等进行加固补强,必要时也可采用增大构件受力断面、改变结构受力体系或采用体外预应力等技术措施来提高结构的抗弯、抗剪强度和刚度,改善结构的受力特性。
⑦对梁板因受盐水或其它化学物质腐蚀产生的破损,除对破损部位按上述要求进行处理外,必要时梁体表面可涂刷防腐涂料以避免结构的进一步腐蚀、劣化。
4 结语
混凝土主梁 篇6
该项目从预应力梁桥下挠特征、桥用高强混凝土材料特性、反复荷载效应、长期挠度计算与设计方法、施工方法与工艺、防控主梁过度下挠措施和已下挠预应力梁桥处置技术等方面进行了系统研究, 系统全面地解析了持续下挠原因, 对新建桥梁提出了长期挠度计算方法、防控主梁过度下挠的设计、施工措施, 对服役旧桥提出了已下挠桥梁的加固成套技术, 并编制了相关设计、施工技术指南。
大跨径预应力混凝土梁桥普遍存在主梁下挠过大的问题, 轻则影响桥梁的美观和行车舒适性, 重则改变桥梁的受力体系 (开裂) 和内力分配, 并形成结构劣化的恶性循环, 危害桥梁的长期安全性和耐久性。项目成果不仅能为此类梁桥下挠控制的设计计算、合理施工方法和工艺的制定提供理论支撑及技术支持, 同时也可为已发生下挠的大跨径预应力混凝土桥梁结构的加固提供处置手段, 对于促进大跨径预应力混凝土梁桥结构进一步扩大应用范围, 发挥其经济性、结构性能等方面优势有着重要的实际意义。
大桥测量主梁控制 篇7
威海长会口大桥位于靖海湾北部, 是连接长会口和冯家村的跨海大桥工程, 为山东省威海市环海公路的重要组成部分。主跨是110+230+110m, 主梁宽20米, 共14块段, 0#块10m, 标准块段8m。
2、斜拉桥主梁测量的控制
主梁的测量控制主要是对主梁线形、主梁索导管的测量控制以及配合监控单位做好主梁及主塔的变形观测工作。主梁施工的许多工序与测量有着密切的联系, 测量工作的好坏不仅影响着进度, 还对质量有着深远的影响。
2.1 主梁线形的控制
主梁线形控制包括主梁轴向偏位控制、断面里程控制及主梁高程控制。由于主梁是采用前支点牵索挂篮对称分段悬浇施工, 所以主梁轴向偏位、主梁断面里程的控制与挂篮的设计和加工有着密切的联系。主梁轴线偏位控制分为事前、事中、事后控制。事前控制包括:挂篮在设计、加工及拼装三个阶段均要复核挂篮预留孔相对位置是否正确;准确放样主梁预留孔的位置, 并且在安装预留管道之后进行复核;在下一段施工前根据挂篮的偏位情况确定两侧c型梁行走距离。事中控制:在挂篮行走的过程中检测挂篮的偏位情况 (一般测量底模的偏位) , 这时通过调整c型梁两侧行走距离, 非常容易调整挂篮的偏位;事后控制:挂篮提升之后, 再次复核挂篮的偏位。先看挂篮的后端是否偏位, 如果后端偏位, 与成型的混凝土有明显的错位, 用千斤顶在混凝土和c型梁之间顶压c型梁, 调整挂篮后端偏位;挂篮前端的偏位调整, 是用较大吨位的导链使挂篮的一侧向后或向前移动从而调偏, 锚固杆与预留孔之间没有空隙则挂篮偏位无法调整了, 本项目东西岸挂篮桥面腹板施工工序不一样, 东岸挂篮腹板是采用搭设支架, 西岸采用整体拱架提升, 可以说西岸挂篮是一个固定的整体, 不能采取调整主肋底板位置调整挂篮偏位, 如果调整了底板位置会使一面主肋尺寸变小, 而另一面变大, 主肋钢筋的保护层厚度就得不到保证, 翼缘板模板及前端堵头模板也要准确放样, 以控制边梁线形及断面里程。
主梁标高的控制, 是一个非常重要的工序, 它包括主梁空模标高的定位, 浇注混凝土标高的控制, 以及桥面标高的控制等。影响主梁标高的主要因素:监控单位所提供的立模标高、挂篮模板的平整度、刚度及其相对尺寸、测量误差及气温日照、混凝土收缩和徐变、主梁荷载、锚固转换时单位索力增量梁段的位移、混凝土弹性模量e、主梁每一段的断面尺尺寸及混凝土的超方、主梁实际容重、梁预应力张拉。
监控单位提供的标高是主梁标高控制的基础, 目前施工单位很少有能力去复核这个标高, 只有按照监控指令去执行。显然如果它错了, 后续工作将跟着错。主肋底模平整度应在2 mm之内, 且要保证一定的刚度, 另外底模与顶模相对尺寸不仅要考虑梁体设计要求, 还要考虑挂篮自身的挠度。测量误差主要包括仪器误差、塔尺误差、读数误差、及水准点误差等。仪器要按时标定, 平时经常检校i角, 塔尺经常用盒尺检查, 特别是接口处, 读数误差与计算错误要经过2人及以上复核去避免, 水准点要经常闭合。日照及温差是影响主梁标高控制的重要因素。在晴天时最好的办法是在凌晨日出前把挂篮空模调整复核完毕。或者采用相对标高法控制, 在凌晨4点至5点钟左右。提前把标高转到主梁的最前端, 并在转点时注意荷载平衡。挂篮最前端受气温影响最大下挠达5cm, 基本到23点钟, 挠度才能恢复。本桥通过观测, 吊车对梁端标高的最大影响在2cm左右。但吊车荷载不均衡时最大可达到6.5公分, 所以调整空模标高时吊车要求开至下横梁附近, 另外在调整空模时, 钢筋或其他杂物禁止堆放在梁端, 并尽可能保持梁的左右均衡, 要按照监控单位指定的位置存放。在施工中混凝土的主梁弹性模量e实际值往往比设计值高, 这主要是混凝土实际强度往往偏高, 监控单位应对每一段的梁的弹性模量e进行复测, 但本桥做的不够。斜拉桥的施工中, 主梁的尺寸常常由于挂篮模板刚度、涨模、顶板厚度难以控制等等原因导致混凝土超方, 本桥没能对混凝土超方引起的塔柱偏位, 以及索力增大做出过详细的计算, 导致主塔偏位最大值11cm, 主梁索力过大并影响了施工进度。主梁的实际容重对塔柱的偏位和主梁的影响特别大, 这主要取决于实验室和现场技术人员对混凝土的质量控制。
具体操作时, 测量人员测量出挂篮最前端的底模标高, 与监控单位提供的标高比较, 算出高差, 提供给现场。现场施工人员根据高差, 在后锚座附近利用液压千斤顶, 顶住已浇主梁底面及挂篮承重系统的纵梁顶面, 然后转动调正螺盘反力座, 并使螺盘顶到混凝土预留出1cm左右, 然后提紧后锚杆, 主要是提紧后锚杆时会使后端从纵梁下挠1cm左右。本项目后端螺盘在好多块都起不到调节标高的作用, 主要原因有监控标高控制不理想;挂篮前端发生向上变形;挂篮进场后, 没有模拟挂篮在梁上, 后端螺盘预调量和千斤顶的高度是否能够满足 (竖曲线最大高差+监控预抬值最大高差) 施工调整标高高差进行复核, 致使千斤顶和螺盘放到最低还不能保证前端挂篮的高度, 不得不采取落中锚杆的办法调整前端的高度, 梁的底端出现了最大11cm的措台。在提紧中锚杆之前要对梁和挂篮底板之间预留2-3mm的预留值, 不然由于变形会影响挂篮前端标高。
主梁混凝土标高控制指每段梁跨中标高的控制, 我们是采用取平均值的方法, 即取已浇梁段与挂篮前端堵头模板实测标高的平均值。在大桥施工中, 前端腹板中间标高, 监控单位没有严格考虑挂篮砼打完后, 挂篮前横梁中间下挠值和横膈板预应力张拉上挠值, 至使横坡控制失调。挂篮疲劳使用多段后应进行必要的横膈板底板标高调整, 本项目横膈板最大值下挠了7cm。
索力张拉时标高控制。在索力张拉时, 通过测量预埋的钢筋推算肋板底标高, 与监控单位提供的标高相比较, 并把差值现场立即反馈给监控单位。监控人员根据实测的索力与标高, 决定索力调整的大小。一般在索力的调控范围内以标高控制为主。不过索力调整标高的余地很小, 关键是空模标高要严格控制, 并且挂篮不得出现异常情况。
2.2 主梁锚箱、索导管、弧形垫板的定位方法与计算过程
2.2.1 主梁锚箱数据的计算与定位
本桥锚箱其数据的计算是在autocad中完成的。放样时, 根据在autocad中点算的锚箱底面四角点的坐标, 用全站仪在挂篮底板上放出点位做上记号, 供放置锚箱使用。
2.2.2 主梁索导管的定位及其数据的计算
为了不影响进度, 索导管的定位一般安排在空模标高定位完成之后。索导管的定位方法:测量锚垫板 (锚垫板需采用精加工) 上表面三边的中心点推算锚垫板的实际中心坐标, 利用定位圆盘测量索导管出口中心坐标, 通过这两实测中心坐标与理论值比较, 调控索导管空间位置。
(1) 斜拉索悬垂量的计算
由于斜拉索自重的影响, 测控索导管时, 必须考虑垂度的影响, 否则当悬垂量较大时, 将很难保证斜拉索在索导管出口处居中。应根据垂度计算公式进行严格计算。
(2) 锚垫板理论中心坐标及空模状态下索导管出口处索导管中心与斜拉索中心坐标差矢量的计算。
起重机箱形主梁疲劳寿命评估 篇8
起重机箱形梁结构本身存在着材料和设计缺陷,又承受重复的交变载荷,疲劳破坏是其主要失效形式。据调查统计,最常见的也是最严重的是以疲劳裂纹为特征的起重机焊接结构的破坏[1],而梁结构的疲劳破坏直接表现为裂纹的萌生与扩展。因此,研究裂纹的形成寿命和扩展寿命具有重要意义。本文结合损伤力学来预测裂纹形成寿命,用基于弹塑性理论的断裂力学来估算裂纹的扩展寿命,两者之和构成了起重机的疲劳全寿命。
1 起重机疲劳寿命评估技术路线
起重机的疲劳寿命评估过程是一个复杂的过程,本文结合有限元分析软件、局部损伤力学分析、弹塑性断裂理论等提出的技术路线如图1所示。
2 损伤力学法在起重机箱形梁疲劳裂纹形成寿命估算中的应用
损伤力学是研究物体的微缺陷在载荷等外在因素的作用下生长、合并最终导致破坏的演化规律。损伤力学的起点是微观尺度上的裂纹、空洞等缺陷,终点是宏观裂纹。
结构疲劳失效多发于疲劳性能薄弱或应力最大的部位[2,3]。根据实际检测,起重机箱形梁裂纹主要出现在跨中附近受拉区焊趾、焊缝交叉处等。本文以疲劳核算点作为疲劳源计算疲劳寿命。
跨中截面弯曲正应力最大,可以认为是纯弯曲,可用等直梁纯弯曲(如图2 所示)的疲劳裂纹形成寿命Ncr;b的封闭解[4],如式(1)所示:
其中:Ncr;b为疲劳裂纹形成寿命;I0为横截面的轴惯性矩;Im为横截面的广义轴惯性矩,它与材料常数m有关;α和m为待定材料常数;E为弹性模量;Δσb为临界点的应力变程。
对于如图3所示的起重机箱形梁截面,有:
将式(5)代入式(1)得:
式(6)即为含待定材料常数的起重机箱形主梁疲劳裂纹形成寿命的封闭解Ncr;b。
3 基于弹塑性理论的断裂力学在起重机箱形梁疲劳裂纹扩展寿命估算中的应用
由于起重机箱形梁大多采用中等强度以下钢,如Q235,这样在裂纹尖端处应力集中较大而产生塑性变形区,这时需要对强度因子修正后,再采用广泛应用的线弹性断裂力学Paris公式来计算。由参考文献[5]可知,形状系数Y为:
其中:E(k)为椭圆积分,可由参考文献[4]查得,,a为裂纹的深度,c为裂纹宽度的一半;σ为截面的应力;σs为钢材的屈服点。
由参考文献[5]可知,应力强度因子幅为:
起重机箱形梁的裂纹扩展速率可由Paris公式表示如下:
其中:N为应力循环次数;为裂纹扩展速率;C、m为与材料、裂纹类型有关的系数。
起重机属于无限大受拉板[6],Y=常数,积分后可获得由初始裂纹a0扩展到临界裂纹的应力循环次数N,即金属结构的疲劳裂纹扩展寿命ac:
当m=2时,
当m≠2时,
4 桥(门)式起重机寿命预测算例
某铁路局集装箱货场即将投入使用的50TU型门式起重机,跨度为26 m,材料为Q235,为中等强度以下的钢材,下面估算该起重机主梁的疲劳寿命。
4.1 起重机结构强度和刚度有限元分析
根据图1的技术路线,有限元分析是疲劳寿命预估的前提,必须在满足强度和刚度的前提下进行疲劳寿命计算才有意义,虽然是进行主梁的寿命计算,但是对整机的建模分析更符合实际情况。根据设计要求选取2种危险工况进行分析。工况1:小车位于门架跨中满载起吊,考虑动载效应、门架自重、风载荷;工况2:小车位于有效悬臂端满载起吊,其他加载同工况1。强度和刚度有限元法校核结果如表1所示。
通过表1可知,所建立的有限元模型满足强度和静刚度的要求,进一步进行动力响应中的模态分析,提取2、3、5阶频率,如表2所示。
由表2可知,起重机垂直方向的频率是3.581 6Hz,在2Hz~4Hz之间,符合起重机设计手册对动刚度的要求。
4.2 裂纹形成寿命和扩展寿命分界点的确定
疲劳寿命可以认为由2个阶段组成:疲劳裂纹形成阶段和疲劳裂纹扩展阶段。对于初始裂纹的假定还没有统一规定,本算例中取a0=2 mm,ac=120 mm,这样裂纹形成寿命指构件从原始到裂纹2mm的应力循环数,裂纹扩展寿命指裂纹从2 mm到120mm的应力循环数,两者之和就构成了起重机箱形梁的疲劳全寿命。
4.3 疲劳源附近应力幅值处理
限于现有的条件不能进行载荷谱的现场统计,疲劳源附近的应力幅可以通过有限元分析得到,如图4所示。疲劳源附近的最大应力σmax=66 MPa,近似认为σmin=0,则 Δσ=66 MPa。由于主梁是焊接结构,存在焊接残余应力,根据文献[7],在一般对接焊缝即主梁跨中部位热点应力集中系数为1.17,故取Δσ=1.17×66=78 MPa。
4.4疲劳寿命计算
根据参考文献[8],取α=2.55×1019,m=2.82,将α、m、σ代入式(6)得:Ncr;b=6.506×106次。本算例起重机材料为Q235,取C=2.61×10-13,投入使用后会出现小范围的弹塑性裂纹,设定a0=2c,计算得k=0.866,查参考文献[4]求得E(k)=1.211 1,代入式(7)得Y=0.932。将有关参数代入式(12)得N=2.208×106次,N总=Ncr;b+N=8.714×106次。经过MATLAB软件编程计算进一步得到该起重机主梁的剩余寿命曲线,如图5所示。对图5进一步分析可知,当裂纹超过20mm后,裂纹的扩展速率明显加快,因此应对大于20mm的裂纹重点监控。
5 结语
(1)预测裂纹的形成寿命十分重要,如果这可以达到很高的置信度,那么破坏的危险就会减小,至于裂纹扩展寿命则可用断裂力学理论来加以估计。
(2)损伤力学估算疲劳裂纹形成寿命可能是最有效的方法,但目前损伤力学理论还不太成熟,本文所做的尝试还需进一步的试验验证。
参考文献
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