斜拉桥在钢塔锚地穿孔板区域的压缩行为

摘要

调查研究中使用实验和数值方法来研究钢斜拉桥塔锚固区穿孔板的压缩行为。研究了具有连续的单列或双列椭圆孔以及仅仅是支撑在四个平面外方向的矩形板。在实验研究中使用一个自平衡加载装置在单轴压缩下测试25个标本,即,三个构件板单元和22穿孔板的弹性应力分布、平面外变形、破坏模式和极限强度测试等。在数值分析中,有限元模型与细化网格开发预测不同结构尺寸穿孔板的抗压强度。通过对比实验验证了有限元网格数据。无因次参数的影响,包括板长宽比、洞口宽板宽度比、孔间距和孔长度比,使用大量的参数研究验证抗压强度。结果表明,连续椭圆穿孔产生负面影响压缩板的力学行为。行为的改变随无因次参数的盘子和漏洞。

关键词：斜拉桥 钢塔 穿孔板 非轴向应力 极限强度

1说明

由于他们的优点,如低体重,抗震性好,快速建设和再循环能力,钢桥塔广泛应用于最近竖立中国斜拉桥,包括汀九桥、香港(1998),南京长江三桥,南京(2005),和外滩桥、宁波(2010),图1所示。在钢塔箱形截面里面，在锚固区举行的电缆和外墙切口是不可避免的。开口通常从电缆之间的倾斜角度而产生的椭圆形塔。孔的宽度在桥塔结构宽度的0.1-0.25倍的墙壁结构。漏洞数量往往是对应于相应数量的电缆和锚定位置而不断提供。单排和双排孔都可以看到。图2显示了一个典型的钢塔斜拉桥。两个构件的单箱由web盘子和两个穿孔法兰板组成。索力间接传播到穿孔板,即索力首先通过渗透和剪切板之间的焊接构件web板剪切流转移到web构件墙,然后从法兰板,穿孔通过椭圆孔,是单向地平面的压缩方向的合作四个截面墙。因此,较低的板块承受压应力比上面的盘子大。没有平面外荷载发生在多孔墙、索之间的距离以及椭圆孔的边缘总是保留变形。这个结构的多孔法兰板比构件的板更容易压缩失败有以下原因: (1)由塔的重要截面引起的额外的抗压应力可能发生在桥的纵向平面法兰盘(即：穿孔板)；(2)部分板块由于洞失踪；(3)两个nonperforated web板横向连接,由做好的刚性锚系统组成的剪切板、基板、和他们的加强剂用来改善网络的平面外刚度盘子。

关于开孔的影响,连续洞结构的存在导致膜的再分配压力伴随着板的力学行为的变化。不断上升的应力集中和截面积的减少,相对于构件板,多孔板总是存在。前者损害结构的抗疲劳强度,而后者可能导致压缩板的承载能力的损失。特别是在锚固区域底部法兰盘的压缩应力会累积。连续图样可能导致板的极限强度和疲劳寿命明显的恶化,不再满足结构安全要求。如果存在这种可能性,一个适当的cutout-strengthening方法应采取改善行为。不幸的是,这些问题通常被工程师忽略,现有的研究报告,设计规范,手册局限于为他们提供指导的工程师们的能力。因此,机械压缩钢板穿孔通过这样持续的椭圆孔,在用于钢铁塔锚固区斜拉桥中,应该彻底调查。

许多关于穿孔板的压缩行为在过去的几十年里已经展开研究工作。Narayanan和Rockey [1]对薄壁圆孔冲孔网进行极限强度测试,提出了一种近似预测与穿孔板梁的极限容量网的方法。Azizian和罗伯茨[2]在轴向压缩广场上集中放置方形和圆形孔通过使用有限元素的方法进行非线性分析的。Narayanan和Chow[3]提出了一个近似方法估算极限荷载承载力，即简支穿孔板在单轴压缩和比较测试结果的方法。设计师在同一篇论文中也提出使用曲线来确定具有集中定位孔的方盘上的极限能力。Shanmugam等。[4]开发了一种基于有限的设计公式来分析确定多孔方形板与广场或圆形洞为不同边界条件和加载水平的最终负荷能力。El-Sawy等。[5]专注于单向地加载正方形和长方形的弹塑性屈曲板块与圆形图样,利用有限元方法,得到一些关于孔的大小和位置不同纵横比的穿孔板和长细比的建议。Paik(6 - 8)调查了穿孔板边缘剪切载荷作用下,轴向压缩载荷和总和双轴压缩和剪切载荷的极限强度特征，并提出封闭边缘经验公式预测穿孔的终极力量板的基础上回归的非线性有限元分析的结果。Maiorana等(9、10)进行线性和非线性穿孔板在局部对称负载的有限元分析。程和赵[11]也调查了包含一个圆孔的方形板在进行单轴压缩加载时的切口强度。一般来说,多孔板的压缩行为要考虑各种参数,包括板长宽比、长细比、孔形状、孔大小、孔位置,和负载条件下, 先前的研究已经全面调查,一些建议和配方有利于实际工程设计已提出。然而, 他们中没有一个人专注于不断把椭圆孔留在钢斜拉桥塔锚固区。

本研究专注于连续的椭圆孔钢板穿孔钢桥塔锚固区的压缩行为。墙底部的部分锚固区域的法兰盘,被认为是根据实际的情况结构简支平面外方向的四边缘和单向地压缩纵向平面方向。各种情况下的开放安排涉及孔数、孔间距和孔行进行全面研究。压缩测试穿孔和未穿孔构件的板使用一个自平衡加载设备,基于有限元分析选择执行一个紧随其后数目的参数与不同结构维度的研究板和孔选择。弹性应力,平面外的变形、破坏模式和极限强度的板都要被测量。无尺寸参数的影响力点,比如板长宽比,洞宽/板宽度、长度/孔距,在极限承载力系统测量,一些建议和简化公式有利于工程被提了出来。

2测试设置

总共设计了25块板,其中3例是未打孔的构件盘子,十七个是一行连续多孔椭圆孔,和五个棱连续椭圆孔穿孔。所有板块的宽度和厚度都是相同的,但长度是不同的，各种椭圆孔的宽度、数字，空间的组合被测量。三种类型的无因次参数,即：板长宽比a/b洞宽/板宽度、间距d/b,洞长度,l/h是主要变量。所选值为a/b =0.9-3.6,d/b=0.1-0.2,和l/h=2-6。这里,a,b,d,h和l对应板长度、板宽孔宽度、孔长度和孔间距。最近，分别如图3所示，固定30 b / t值被分配给所有标本在实际因为钢板的长细比通常是被设计规范(12 - 14)限制并不大比35钢避免局部屈曲。此外,现有的研究表明不同的b / t 10到40之间的应力在多孔板圆孔的影响可以忽略不计(5,11)。连续的椭圆孔板是等距的,孔的长度总是等于其宽度的1.5倍。板块及其嵌入式孔使用线切割机可以精确加工成设计的形状。标本的结构参数如表1所示,在dash-separated四位数的标本行名称指洞,洞宽/板宽度、板长宽比、孔距/长度。例如,P1-01-18-3代表一行洞的标本,d / b = 0.1,a / b = 1.8,和l / h = 3。半波正弦分布的初始形状从板平面外方向观察。测量最大初始变位(delta;0)表1中列出。

六个标准样品将使用钢板的拉伸测试,并给出测量力学性能如表2。

在斜拉桥钢塔锚固区,截面板通常是由其他相邻的垂直板或刚性加强剂支持,因此他们的边缘简单的约束和固定约束平面外方向之间的区域约束。常见的简化边界约束条件用于实验和理论研究在板边板平面外的方向是支持的,一直先前的研究证明, 实际工程问题的收益率略微保守的结果。

对加载条件下,钢塔在组合荷载截面轴力和弯曲的时刻都暴露出来,因此多孔法兰板锚固区主要是受单轴压缩的(即纵向非平面方向。塔的垂直方向)。由相邻支撑板引起的不均匀性截面刚度与压应力在其横截面不均匀造成的。换句话说,支持附近的压力要比他们之间大得多,如图2所示。考虑到变形兼容性在整个盒子的纵向方向部分,板块更容易受到统一的位移而不是统一的压应力。

因此, 平面外的边界约束简单的支持在四个板边和平面内均匀加载条件下的位移两板横向边缘采用在当下工作,如图3所示。

2.3试验台

边界约束和载荷条件,这两个方面的主要问题在设计试验台;也就是说,试验台将不仅提供简单和可旋转支持4边的标本,还提供一种方便地在横向位移板的边缘应用均匀或刚性压的机制。此外,兼容不同长度的板也需要的锚具装置。

一个自平衡加载装置设计用于满足图4所示需求。组件及其功能可以概括如下:

1. 两个纵向钢H截面和两个横向钢H截面被高强度连接螺栓连接形成一个□型主框架,一个液压千斤顶标本放置上面来加强压缩负荷。通过这种方式, 当框架没有添加水平对千斤顶的支持加载力可以在内部达到平衡。主要框架是由两个横向钢H截面,其中一个使用基础螺栓固定在地面。
2. 使用钢铁h型刚性负载变送器构造纵向h型是位于相同的维度千斤顶和标本,通过集中力的千斤顶是转化为均匀分布生成的压缩位移测试板的横向边缘。负载变送器是附加的四个夹子,每一个都是用两和制作的块钢板焊接在一起。负载变送器夹被紧固螺栓附加到纵向钢H截面,从而防止平面外位移的吗负载变送器,使得它在纵向平面内方向自由移动。
3. 支持板块,两个纵向边缘通过厚度方向被切成一个单斜面槽的形状,被用来在平面外方向提供简单的支持测试标本。在组装主框架之前,支持板底部焊接表面的纵向h型,横向h型和负载发射机,单斜面凹槽面临向上,后被定位螺栓临时固定在指定的位置。前支撑板,与单斜面沟槽面对向下,然后固定钢铁样品H截面的前提准确定位凹槽的底部支撑板。支撑板块的顶部没有焊接。压缩螺栓嵌入在盖板被用来传播平面外从支撑板的顶部到主框架的反作用力,与角焊用于底部支持板块。盖板的以前紧固螺栓的主框架。使用单斜面沟槽不仅可以提供平面外方向所需的位移约束,也使支持板的边可旋转。
4. 附近的标本安装中等高度平面的h型平面压缩荷载可以直接转移到法兰盘而不是钢的法兰H截面。一些内部膜片也用于变硬的法兰钢H截面以防止局部屈曲。
5. 使它方便测试不同长度由钢截面尺寸固定框架的板、模块化的块附近被千斤顶,两个纵向滑动插槽是在梁腹两纵向H截面板块,通过它的紧固螺栓负载变送器钳过去了。

标本被加工是比240毫米宽几毫米,使支持对纵向支撑板之间横净距的设计方向等于板理论宽度(240毫米)。弹性和弹塑性实验结果可能引起的错误是由于这个附件方法被认为是微不足道的,因为额外的板部分没有触碰刚性负载发射机,因此没有直接的顶推力加载。有一个对板纵向长度类似的情况,但额外的测试长度的影响可以忽略,因为补充道部分只是作为负载发射机。此外,压缩引起的横向扩张的盘子是无限制的, 因为他们的纵向边缘和纵向钢H截面之间的间隙留给这些潜在的扩张。

试验台的照片如图5和6所示。结构的细节的支持与单斜面板凹槽和负载变送器如图7和8所示。

2.4测试过程

整个测试过程负荷由液压千斤顶2000 kN的名义工作强度控制。在测试之前,三个特征强度对应理论屈服点(Pyd),中间B点和C理论的终极点数值加载与平面外位移曲线, 如图9所示,测定标本使用有限元分析。选择相邻的测试步骤之间的载荷增量为20 kN,10 kN,OA和5 kN阶段,阶段AB和阶段BC。液压执行机构自动卸载一次标本破坏,最大负载实现被记录并设置为实际测试板的极限强度。

2.5测量

电阻应变仪的安排如图10所示。S1、S2和S3分别沿横向部分测量弹性应力,和其他位置被选为潜在的最大压缩/拉应力的位置,从之前进行的有限元分析获得所在位置。测量点A1-A5被附加在几个典型标本测量非均匀应力分布沿横向边缘的分布。两个位移米,D1和D2,被放置在四分之一跨点和中跨点附近的纵向方向上用来记录压缩板的平面外变形,如图10和11所示。

3 测试结果

3.1弹性应力

通过定义应变不均匀系数的应变任何一个五仪表A1-A5五项值,除以平均应变分布沿横向加载边缘了,如图12所示。结果显示外点的横向边缘所承受压力高于内在的。沿横向边缘测量应变分布,这非常类似于板在实际结构的实际情况,验证自行设计加载装置。轻微的不对称的曲线也被观察到,因为一些顶压力的小小缺陷在加载测试期间是不可避免的。

载荷与应变曲线在弹性阶段的典型标本图13所示。在相同的负载,最大压应力在纵向方向上发生在衡量S3,这是最接近加载板的横向边缘位于一个椭圆孔的短轴的端点。拉应力也存在于横向方向,S4是靠近外端点的主要轴的孔,测量了S4最大值拉伸应力。最大拉应力情况下一行的洞大约是在同一负载级别最大压应力的10%-50%,并且随着洞口尺寸的增大而增大。有两排孔,在两个端点(即压力测量的外部和内部)的短轴几乎是相等的。一般来说,对于包含多个椭圆孔的板,越远的洞位于加载板的横向边缘,边缘附近观察应变越小。

3.2 失败模式

图14显示海拔视图和鸟瞰图的典型失效模式。板的屈曲模式可以分为两类,即。全球变形在纵向方向上导致正弦模式和发生在板横向边缘附近的局部变形。前发生的大部分标本,特别是的盘子纵横比小于2。一些长板(如。,标本P0-00-27、P1-01-27-2 P1-01-27-3、P1-01-36-4 P1-02-27-3) 表现出钢铁屈曲加载横向边缘的极限状态。没有洞周围的钢的局部屈曲边观察的标本。通常,孔有一个微不足道的影响压缩矩形板的失效模式,和持续的影响小椭圆图样失效模式可以很不显眼没有结论。

实验最大的平面外变形量(delta;max)和纵向位置在表3中列出。表4给出了样本数量为每个屈曲位置,按板长宽比分类的。大部分的标本扣在纵向板跨中三分之一处。板位置和翘曲长宽比之间的关系可以概括如下:a / b = 0.9,板屈曲发生在中期跨度; 盘子的a / b = 1.8和3.6,几乎所有屈曲发生在板中间部分的一半,即四分之一跨度和四分之三跨度;对于a / b = 2.7的板,屈曲的位置比在任何其他情况下都要靠近加载的横向边缘。

3.3载荷-挠度曲线

在整个加载过程中压缩荷载和平面外旋转测试板挠度之间的典型关系绘制在图15。

传统的发生三相曲线的一些标本(如。P1-02-18-2)。在这些情况下,初挠度增加伴随负载测试的线性增加。随着加载持续,当地产生导致一些两个指标之间的非线性。大量增加造成的出平面偏转小负荷增量明显在最后阶段由于板的一些地区,包括部分位移附近的米,先后弯曲失败。对这些曲线,在最初的几米记录的零加载时间间隔在线性阶段开始之前,表明很小的初始板挠度。对这些曲线,在线性阶段开始之前的几米记录的零加载时间间隔,表明很小的初始板挠度。挠度增加失败在观察之前只在位移情况下未完全位于弯曲区

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