第37卷第1期2020年2月
JournalofCivilEngineeringandManagement
土木工程与管理学报
Vol.37No.1Feb.2020
转体桥混凝土球铰磨心接触应力参数分析
范剑锋ꎬ 刘 涛ꎬ 彭自强ꎬ 尹耀霄ꎬ 王 佶
(武汉理工大学 土木工程与建筑学院ꎬ湖北 武汉 430070)
摘 要:混凝土球铰磨心是转体桥梁的关键构件ꎬ对表面接触应力的准确分析与掌握直接影响工程设计以及施工阶段的质量与安全ꎮ以球铰磨心表面接触应力为目标ꎬ基于非赫兹接触的理论解法及有限元数值模拟ꎬ对球铰接触应力进行计算ꎬ做出球铰接触应力分布曲线ꎬ对比不同球铰设计参数的最大接触应力值ꎬ分析球铰设计参数与最大接触应力的关系ꎮ
关键词:转体桥ꎻ 球铰ꎻ 非赫兹接触ꎻ 接触应力ꎻ 参数分析
中图分类号:U441+.5 文献标识码:A 文章编号:2095 ̄0985(2020)01 ̄0070 ̄05
AnalysisonContactStressParameters
ofConcreteSphericalHingeGrindingCenterofSwingBridge
(SchoolofCivilEngineeringandArchitectureꎬWuhanUniversityofTechnologyꎬ
Abstract:Thegrindingcenterofconcretesphericalhingeisthekeycomponentoftheswingbridgeꎬandtheaccurateanalysisandgraspofthesurfacecontactstresswilldirectlyaffectthequalityandsafetyofengineeringdesignandconstructionstage.Settingthesurfacecontactstressofsphericaljointmade.Themaximumcontactstressvaluesofdifferentdesignparametersofthesphericalhingearecomparedꎬandtherelationshipbetweenthedesignparametersofthesphericalhingeandthemaximumcontactstressisanalyzed.
Keywords:wingbridgeꎻsphericaljointꎻNon ̄HertzContactꎻcontactstressꎻparameteranalysis 桥梁转体施工[1ꎬ2]适合跨越既有铁路线、深谷等施工条件受限的场地ꎮ转体桥球铰[3]是此类结构最关键的结构构件ꎮ转体球铰分为钢球铰和混凝土球铰ꎬ钢球铰以其制作精度高ꎬ运输吊装工艺成熟而多用于城市及交通便利地区ꎮ混凝土球铰因为不需要大型运输吊装器械ꎬ在山区大跨桥梁建设中广泛运用[4]ꎮ混凝土球铰的设计要考虑到与模架施工、转动体系布置、转体施工准备及转体稳定性控制ꎬ是桥梁转体施工中的关键技术[5]ꎮ球铰的正常工作需保证表面接触应力处于准确受控状态ꎬ但对球铰磨心设计参数的研究
收稿日期:2019 ̄04 ̄30 修回日期:2019 ̄08 ̄16
作者简介:范剑锋(1976 ̄)ꎬ男ꎬ江苏宜兴人ꎬ博士ꎬ副研究员ꎬ研究方向为桥梁仿真模拟(Email:Fjeff_dj@126.com)通讯作者:刘 涛(1993 ̄)ꎬ男ꎬ安徽合肥人ꎬ博士研究生ꎬ研究方向为桥梁仿真模拟(Email:Cygnus_liu@whut.edu.cn)
FANJian ̄fengꎬLIUTaoꎬPENGZi ̄qiangꎬYINYao ̄xiaoꎬWANGJi
Wuhan430070ꎬChina)
asthegoalꎬbasedontheNon ̄HertzianContacttheoryandthefiniteelementnumericalsimulationꎬthecontactstressofthesphericalhingeiscalculatedꎬandthecontactstressdistributioncurveis
较少ꎮ在以往的转体桥球铰设计中ꎬ都是先将球这样带来最大的误差就是球铰表面接触应力计算不精确ꎮ车晓军等[7]通过球铰表面应力差来预估转体桥的不平衡力矩ꎮ左敏等[8]基于弹性半空间理论推导了球铰接触应力的计算公式ꎬ验证
铰的球面假定为平面ꎬ进行平面的尺寸设计[6]ꎬ
了球铰强度理论相比于规范简化算法的优越性ꎮ范剑锋等[9]提出基于非赫兹接触理论的磨心表面接触应力公式ꎮ傅贤超等[10]通过对比平面铰和球铰ꎬ论证了平面铰受力性能更加合理ꎮ
综上研究成果ꎬ球铰的设计、监控中有如下不
第1期范剑锋等:转体桥混凝土球铰磨心接触应力参数分析
71
足之处:(1)球铰简化为平面进行参数设计带来球铰接触应力采用弹性半空间理论进行计算ꎬ虽结果相近ꎬ却不具有代表性ꎻ(3)球铰设计参数研究较少ꎮ
由于在球铰参数设计角度上ꎬ缺少参考性研究成果ꎬ因此本文运用基于非赫兹接触的理论解法与有限元模拟软件ꎬ对球铰矢高变化、球铰半径变化及同一矢径比不同球铰半径变化进行了理论
误差ꎻ(2)弹性半空间理论适用于非协调接触[11]ꎬ
参考公式ꎮ其中ꎬ实际球铰磨心尺寸如图1ꎬ其材料力学参数如表1ꎮ
26002600700800R8500R1300.00R1300.00计算和有限元模拟ꎬ以球铰表面接触应力为目标ꎬR8500对比分析了不同设计参数下ꎬ球铰磨心接触应力的分布ꎬ并分析球铰磨心参数的敏感性ꎮ
1 非赫兹接触理论应力计算
范剑锋等
[9]
在基于非赫兹接触理论的基础
上ꎬ提出了磨心表面接触应力的公式ꎬ合力F和应力分布p(x)为:
F=64
(1)
p(x)=128E∗9πA2r315E∗A2r5
éêêæçxö÷2+1
ùúú2
û
(r2-x2)1
22
(2)E1∗=1ë-èEμrø1+
1-2
Eμ2
(3)AR1
32=8R2-323R1
1R3
2
(4)
式中:F为总荷载ꎻr为接触带宽ꎻE∗为当量弹性模量ꎻA系数ꎻE2为非赫兹接触应力Steuermann模型中的1ꎬE2分别为两弹性体的弹性模量ꎻμ分别为两弹性体的泊松比ꎻR1面的上、下半径ꎮ
1ꎬR2分别为两接触ꎬμ20.0024ln若上下两接触面R1=R2ꎬ取R1=R2(1.0207-接触带宽R2)ꎮ
r为:
r=
5
6415E∗FA(5)
式(1)为轴对称共形接触(2
即协调接触)结构
荷载函数ꎬ式(2)为轴对称共形接触应力分布值ꎮ
2 混凝土球铰磨心参数分析
本文以南渡江转体拱桥为依托ꎬ转体桥球铰磨心作为研究对象ꎬ以球铰磨心上表面应力为参数目标ꎬ对球铰尺寸参数进行敏感性分析ꎮ通过有限元模拟方式进行参数敏感性分析ꎬ并将结果与理论解进行对比分析ꎬ拟合出球铰参数敏感性
图1 球铰磨心尺寸/mm表1 材料力学参数
材料球铰磨盖、磨心C50
钢销轴弹性模量/MPa
33500200000泊松比
0.2
0.3
心模型 运用通用有限元软件ꎬ由于ABAQUS无固定量纲ABAQUSꎬ建立球铰磨模型长度单位取mmꎬ力取Nꎬ则相应的应力单位为MPaꎮ采用径向六面体分割单元ꎮ全桥重量为56900kNꎬ施加在球铰磨盖上表面ꎮ施加作用力时ꎬ分为两步ꎬ第一步施加10kN的力ꎬ以防止直接施加全桥重量导致计算不收敛ꎻ第二步施加全桥重量ꎮ球铰下磨盘底部边界全部约束ꎮ选择CPRESS查看球铰磨心上表面应力ꎮ上磨盖、下磨心与定位销轴模型如图2所示ꎮ
(a)(b)
图2 有限元模型
球铰的力学模型示意图如图3所示(图中:1为上转盘ꎻ2为下转盘ꎻ3为撑脚ꎻ4为上球铰ꎻ5为下球铰ꎻR为球铰半径ꎻR、为球铰平面半径ꎻα为球铰支撑圆心角或球铰外边缘圆心角ꎻθ为球铰径向角度)ꎮ
143R、2R5O图3 球铰尺寸参数示意
7 2 土木
工程与管理学报 2020年表2 球铰参数与最大接触应力
2.1 球铰矢高变化对球铰受力的影响
在同样的荷载作用下ꎬ进行球铰矢高参数分析ꎬ保持球铰平面半径不变ꎬ因此球铰半径会随之变化ꎬ在ABAQUS中设置Path路径ꎬ从球铰一端至另一端ꎬ用来查看球铰磨心表面接触应力ꎬ查看组如图4ꎬ5所示ꎮ
33.812516.9258.5
球铰半径R/m
0.0250.050.10球铰矢高f/m
球铰最大接触平面半径应力σR/m/MPa1.3001.3001.30011.16611.27811.652理论解最大
接触应力σ/MPa9.5539.869
10.415+1.16510
1
+1.06810
1
+9.71110
0
+8.74010
0
+7.76910
0
+6.79810
0
+5.82610
0
+4.85510
0
+3.88410
0
+2.91310
0
+1.94210
0
+9.71110
-1
+0.00010
0
图4 Path路径设置
-1300O1300图5 查看节点示意
球铰接触应力统计见图6ꎮ由图6可知ꎬ球铰表面接触应力变化趋势不因球铰矢高的变化而变化ꎬ球铰表面接触应力都从磨心圆点开始ꎬ沿着径向先增加ꎬ后减小ꎮ同时从图6可以看出ꎬ球铰矢高越小时ꎬ即球铰越平缓时ꎬ表面接触应力分布更加均匀ꎬ因为此时更加接*面ꎮ
141210
aPM8/640.025m0.05m20.10m0.15m00.20m
-2
-1500-1000-500
0
500
10001500
/mm
图6 同一球铰半径不同矢高自重荷载下
球铰接触应力值统计
将应力最大值进行统计ꎬ并将计算参数代入公式(2)中ꎬ运用Mathematica计算软件得到应力理论解ꎬ并取出最大值ꎮ结果统计于表2中ꎮ
5.708 4.3250.150.20
1.3001.300
12.09712.693
11.12511.150
于图 将不同矢高下的球铰表面最大接触应力统计7中ꎮ
1614aPpM1(x)=8.701x+10.864/12R2=0.982610p2(x)=9.7934x+9.39418R2=0.942960.020.040.060.080.100.120.140.160.180.200.22/m图7 不同矢高最大接触应力结果统计
在自重荷载作用下ꎬ当球铰平面半径不变时ꎬ
球铰矢高变化导致球铰半径变化ꎮ由图7可知ꎬ此时将有限元数值模拟结果与理论解结果进行统计ꎬ并拟合出最大接触应力对矢高变化的公式ꎮ图中可明显看出ꎬ两者计算结果都呈现出随着矢
高增加而最大接触应力增加的上升趋势ꎮ
有限元数值计算结果呈明显线性趋势ꎬ其最大接触应力拟合曲线为理论解计算结果也呈明显线性趋势)=8.701:
p1(xx+10.864
ꎬ其最大(6)接触应力拟合曲线为2.2 球铰半径变化对球铰受力的影响
)=9:
p2(x.7934x+9.3941
(7)
在同样的荷载作用下ꎬ进行球铰半径参数分析ꎬ其矢高保持不变ꎮ球铰磨心表面接触应力变化规律不变18ꎬ结果如图8所示ꎮ
1614a12PM/108
67.0m48.0m28.5m9.0m010.0m-2
-1500-1000-500
0
500
10001500
/mm
图8 同一矢高不同球铰半径自重荷载下
球铰接触应力值统计
第1期范剑锋等:转体桥混凝土球铰磨心接触应力参数分析
18161412108647 m,8m,8.5 m,73
由图8可知ꎬ球铰表面接触应力变化趋势符合非赫兹接触理论ꎬ不因球铰半径的变化而变化ꎬ先增加ꎬ后减小ꎮ球铰半径越小ꎬ其最大接触应力值越大ꎮ将接触应力最大值进行统计ꎬ可以得到表3ꎮ
/MPa球铰表面接触应力都从磨心圆点开始ꎬ沿着径向
0.082 m0.094 m0.1 m表3 球铰参数与最大接触应力
球铰球铰球铰最大接触理论解最大
半径R/矢高平面半径接触应力7.0m8.00.10f/m1.179R/m应力σ16.022/MPaσ8.50.100.101.26115.719/MPa1.30012.53113.02910.09.0
0.100.10
1.33811.65210.4151.411
10.9559.898
9.968 半径变化导致球铰平面半径变化 在自重荷载作用下ꎬ当球铰矢高不变时9.515
ꎮ由图9ꎬ可知球铰ꎬ
此时将有限元数值模拟结果与理论解结果进行统计ꎬ并拟合出最大接触应力对球铰半径变化的公式ꎮ图中可明显看出ꎬ两者计算结果都呈现出随球铰半径增加而最大接触应力减小的趋势ꎮ
171615
aPp1(x)=0.5969x2
12.141x+71.693M14/R2
=0.9954
1312
11p(x)=0.739x2214.73x+82.80510R2=0.96399
7.0
7.5
8.0
8.5
9.09.5
10.0
/m
图9 不同球铰半径最大接触应力结果统计
有限元数值计算结果呈弱非线性趋势ꎬ其最大接触应力拟合曲线为理论解计算结果也呈弱非线性趋势)=0.5969x:
p1(x2-12.141x+71.69ꎬ其最大
(8)接触应力拟合曲线为对式(8)(9)=0求导得.739:
p2(x)x2-:
14.73x+82.805(9)p1′(x)=1.1938x-12.141(10)2.3 球铰矢高及球铰半径同步变化p2′(x)=1.478x-14.73
(矢径比不
(11)
变)对球铰受力的影响
在同样矢径比及相同荷载作用下ꎬ进行球铰半径参数分析ꎬ结果如图10所示ꎮ
由图10可知ꎬ球铰表面接触应力变化趋势符合非赫兹接触理论ꎬ不因球铰半径的变化而变化ꎬ球铰表面接触应力都是从磨心圆点开始ꎬ沿着径
20
9 m,10 m,0.106 m0.118 m
-2000-2
-1500-1000-500
0
500100015002000
/mm
图10 同一矢径比自重荷载下球铰接触应力值统计
向先增加ꎬ后减小ꎮ由于保持同一矢径比ꎬ球铰半径小会导致球铰平面半径小ꎬ因而最大接触应力会高于球铰半径大的研究对象ꎮ
将应力最大值进行统计ꎬ可以得到表4ꎮ
表4 球铰参数与最大接触应力
球铰球铰球铰平面半径R/矢高f/m半径R
、f/R最大接触理论解最大
应力σ7.0m8.00.0828.50.0941.068/m
11/8517.210/MPa接触应力18.139/MPaσ0.1001.22310.09.0
0.1061.3001/8514.36713.6830.118
1.3771.532
1/8511.65210.4151//8585
10.3518.559
10.545 径比相同时 由图11ꎬ球铰半径变化与最大接触应力的变可知ꎬ在自重荷载作用下ꎬ当球铰矢8.656
化呈现较明显的线性关系ꎮ图中可明显看出ꎬ矢径比相同时ꎬ半径越大ꎬ最大接触应力越大ꎬ增大半径对降低接触应力的作用明显ꎮ并且有限元数值模拟最大接触应力均大于理论解最大接触应力ꎮ
1816
a14Pp1(x)=-2.9969x+37.901MR2
=0.9655
/12p2(x)=-3.1587x+39.13710R2=0.892186
7.0
7.5
8.0
8.5
9.09.510.0
/m
图11 相同矢径比最大接触应力结果统计
有限元数值计算结果呈明显线性趋势ꎬ其最大接触应力拟合曲线为:
p理论解计算结果也呈明显线性趋势1(x)=-2.9969x+37.901ꎬ其最大(12)
接触应力拟合曲线为根据图7ꎬ9ꎬ11ꎬ)=-:
p2(x计算拟合的式3.1587x+39.137(6)~(13)ꎬ(13)
结
果统计如表5ꎬ6所示ꎮ
7 4 土木
表5 线性拟合统计结果
工程与管理学报 2020年
参
考
文
献
水平半径不变ꎬ变化
有限元拟理论计算有限元模拟其余
参数变化
合变化拟合变化结果与理论计误差
情况
斜率斜率算最大误差/%/%
8.701
9.7934-3.1587
14.410.6
<12<5
[1] 刘崇亮.宜万铁路宜昌长江大桥钢管拱拼装和竖转[2] 袁海庆ꎬ李 盛.开口薄壁箱半跨转体拱桥施工阶
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矢径比不变ꎬ
球铰半径-2.9969变化
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[3] 高 涛.转体桥施工监控及安全性分析[D].北京:[4] 程 飞ꎬ张琪峰ꎬ王景全.我国桥梁转体施工技术北京交通大学ꎬ2012.
表6 非线性拟合统计结果
有限元理论计算有限元模拟其余
参数变化
的发展现状与前景[J].铁道标准设计ꎬ2011ꎬ
情况
拟合变化拟合变化结果与理论计误差
加速度加速度算最大误差/%矢高不变ꎬ
%
球铰半径变化
1.1938
1.478
10.6
<9
4 结 论
应力表面分布符合非赫兹接触理论(1)从有限元计算结果可以看出ꎬ应力分布曲ꎬ球铰接触
线规律呈现M形ꎬ即球铰圆心及边缘处应力相较于球铰水平半径中间部位低ꎮ
矢高变化呈明显线性关系(2)球铰水平半径不变时ꎻ球铰矢径比不变时ꎬ最大接触应力与ꎬ最大接触应力与球铰半径变化呈明显的线性关系ꎻ矢高不变时ꎬ最大接触应力与球铰半径变化呈弱非线性关系ꎮ其中球铰矢高变化系数最大ꎬ其影响敏感性最大ꎮ
拟最大接触应力值与理论解最大接触应力值接(3)在分析球铰半径变化时ꎬ有限元数值模
近ꎬ误差最大值为12%ꎮ
[5] 车晓军(6):67 ̄70.
覆性能ꎬ[J].张谢东中国公路学报.大吨位Tꎬ形刚构桥转体过程抗倾2014ꎬ27(8):66 ̄72.[6] 周体设计 勇ꎬ、施工关键技术许志刚ꎬ王宏伟[J]..大跨度连续梁球铰法转
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[11]Liu37.sesture[J].ofSꎬdoubleChenWconformingW.Two ̄dimensionalcontactswithnumericaleffectofanaly ̄
curva ̄2012ꎬ49:International1365 ̄1374.
JournalofSolidsandStructuresꎬ
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