抱箍的应力与变形分析

抱箍的应力与变形分析

摘要：抱箍是一个较复杂的壳体结构，通过理论计算只能求出其平均应力。本文首先计算抱箍系统结构的各构件应力及变形，然后再采用数值计算的方法模拟抱箍的变形和受力，其理论基础为有限元法[1]。计算过程中主要采用了msc.patran和msc.nastran两部大型的cae软件。

为了保证数值模拟方法的正确性，本文以求抱箍牛腿焊缝的平均应力和施工时的实际变形为实例。首先求得牛腿焊缝的平均应力和变形，并与数值模拟结果进行比较，确保抱箍的数值计算模型以及施加约束和荷载方法的正确性。

然后用相同的方法进行抱箍的受力和变形的数值模拟，最后，基于以上基础研究抱箍的各个主要尺寸的改变对抱箍承载能力的影响。

关键词：数值模拟 patran 应力力学仿真

1 抱箍体系的力学计算

1.1 工程简介

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图1-1双柱式桥墩结构图

表1-1抱箍结构参数

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长春至深圳高速公路南京绕越东北段跨宁启铁路特大桥

19#-22#桥墩为左右单幅双柱式桥墩结构，盖梁长度为15.4，高度

1.5m，宽度1.8m，立柱高度为9m，直径为1.4m，立柱间距为9.3m，因立柱高度较高，从经济和安全方面综合考虑，采用抱箍支架法施工盖梁。

双柱式桥墩抱箍结构示意图如上。

1.2 设计荷载[2]

①砼自重：g1=40m3×2.6×103×10=1040kn；

②模板设计自重：g2=80kn，取100kn；

③施工荷载：g3=2kn；

④振捣荷载：g4=2.5kn；

⑤砼灌注的冲击荷载：g5=2kn；

则最不利组合荷载为f=1.2×（g1+g2+g3+g4+g5）=1375.8kn

1.3 主梁验算[3]

本设计主梁采用i50a工字钢，长15.4m，wx=1859cm3，

ix=46472cm4，[σ]=215mpa，[?自t]=l/400=23mm受力模型如下：

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图1-3 主梁力学模型

因设计采用两根工字钢主梁，则每根工字钢承受如下线荷载：q=■=44.67kn/m

主梁在承受如上均布线荷载情况下其弯矩图如下，由图可以看出最不利截面在跨中截面。

①跨中截面弯矩为：

m=■×■-q（3.05+■）×■

=275.17kn·m

σ正=■=■=148.02mpa<[σ]最大弯矩应力符合要求；

②最不利截面最大挠度[4]：

fmax=■（5-24×■）

=■（5-24×■）

=22mm<[?自t]主梁跨中最大挠度符合要求。

1.4 底模槽钢验算

[12小槽钢按60cm间距布置，其计算跨度为1.8米，所以其所承受的线荷载为：

q=0.6×1.8×1.5×2.6×10/1.8=23.4kn/m

①最大弯矩为m中（跨中弯矩）为：

m中=■ql2=■×23.4×1.82=9.477kn·m

②最大应力σ，查《公路桥涵施工技术规范》可知q235钢的屈服点强度[σ]=235mpa

σ=■=■=187.3mpa≤[σ]

安全系数：n=■=■=1.3合格

③最大挠度fmax[12的弹性模量为200gpa，查型钢表可知[12横向惯性矩i=303.9cm4

fmax=■=■=5.3mm合格

1.5 抱箍牛腿计算[5]

牛腿采用q235钢t=16mm钢板，e43焊条焊接，焊缝属于侧面角

焊缝，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度f■■=160mpa，焊脚尺寸设hf=6mm，抱箍体高50cm，厚度t=10mm：

单个牛腿荷载为：

■f=■=343.95kn

τf=■=■

=81.89mpa

1.6 抱箍体验算

抱箍体选用q235钢，则许用拉应力f■■=215mpa，许用剪应力f■■=125mpa，设抱箍体与混凝土之间的静摩擦系数为0.3；

抱箍整体摩擦力为f=■=687.9kn

要想使抱箍不下滑，那么半片抱箍所需的正压力为：

n=■=1146.5kn。

①螺栓数目m及剪应力

选用m25 8.8级高强螺栓，该高强螺栓的抗拉强度

f■■=400，抗剪强度f■■=250；则最大允许拉力[f]=400×π×0.01252=196.3kn最大允许剪力[q]=250×π×

0.01252=122.7kn，则需要螺栓数目m=■=8，选用10个m25高强螺栓；

m25高强螺栓剪应力：

τ=■=70.07mpa<[q]剪应力合格；

②抱箍体拉应力

因单片抱箍的正压力均分在两边的连接处n/2，可知该荷载即为

抱箍体的环向拉力，所以抱箍体的拉应力如下：σ=■=114.65mpa

③抱箍体切应力

τ=■=34.4mpa

2 抱箍及其受力分析

2.1 抱箍牛腿焊缝的受力分析

牛腿采用q235钢t=16mm钢板，e43焊条焊接，焊缝属于侧面角焊缝，角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度f■■=160mpa，焊脚尺寸设hf=6mm，抱箍体高50cm，厚度t=10mm。

因该例中盖梁整体的最不利荷载为1375.8kn，因而单个牛腿荷载为：

■f=■=343.95kn

τf=■=■

=81.89mpa

而在patran[6]中模拟后，沿焊缝上母线上9个点的应力分布如下表：

表2-1数值模拟的焊缝母线mises应力

von mises（壁厚10mm，肋板16mm）

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故母线上平均应力为81.87mpa，同计算理论值结果一直，所以该模型的荷载与约束的施加方法完全可信。

2.2 抱箍应力与变形分析