波形钢腹板钢箱梁栓接吊耳高强螺栓群连接构造的设计与仿真分析

芦强

（兰州工业学院 机电工程学院，甘肃省兰州市， 730000）

[摘要] 为了确保波形钢腹板钢箱梁吊耳螺栓群的可靠连接，本文针对波形钢腹板吊耳螺栓群的连接进行了设计与仿真分析。基于钢箱梁截面内弯曲应变线性分布规律和腹板弯矩分配理论，利用大型有限元分析软件ANSYS建立钢箱梁的空间模型，通过采用梁单元模拟和耦合自由度的办法模拟螺栓群的连接，仿真计算了吊耳螺栓群连接的可靠性，利用弯矩分配理论和摩擦型高强螺栓的设计原理，完成钢箱梁吊耳螺栓连接的优化设计，为同类型螺栓群的连接提供设计参考依据。

[关键词]钢箱梁；螺栓群；吊耳；有限元分析

1 概述

用波形钢腹板代替混凝土腹板，不仅提高了材料的利用率，还减轻了桥梁自重的10~30%，减小了收缩、温度差等对钢桥结构的影响，因此，钢-混组合梁是一种更加经济、合理结构形式^[1-6]，受力性能表现良好，在设计过程中，波形钢腹板既要兼顾力学性能要求同时还要考虑经济、施工等方面的客观因素，并且通过腹板剪应力和腹板剪切屈压稳定等的验算^[7]，方可完成。现有很多国家在实桥设计中都采用有限元分析来提前验证^[8-11]施工的可行性。

2 有限元分析

2.1 工况分析

钢箱梁在加工制造完成后，通过扁担梁（通用吊装设备）对钢箱梁进行吊装转运，进行后续的打砂涂装、转运及现场安装架设。吊耳与钢箱梁连接方式采用栓接，考虑螺栓抗拉不抗剪的特性，使用扁担梁进行吊装时尽量使竖直向上，减小对高强螺栓的剪力。钢箱梁总重量按承载240t计算，将其简化均布到四个吊耳上，每个吊耳将承载60t的重量，本文主要分析吊耳在承受钢箱梁重力工况下高强螺栓的受力情况，其他载荷暂不考虑。

2.2几何模型与有限元模型建立

基于三维空间模型，采用混合网格划分方式，这样划分的网格质量完全适应Ansys软件对网格的约束条件以及模型对网格的需求。

钢箱梁相关参数见表1，由于吊耳对称分布，故在计算过程中取1/4模型进行计算。

表1吊耳和螺栓群设计参数

3结果分析

3.1 吊耳与高强螺栓模型计算结果分析

按照1/4模型，每个吊耳承受60t的重力载荷。其位移云图如图2（a）所示，等效应力图如图2（b）所示，从仿真结果得到吊耳最大竖向变形为0.3mm，最大应力为306MPa，满足设计要求。

3.2 高强螺栓计算结果

（1）高强螺栓第一主应力云图：

由图3可知，高强螺栓螺杆的第一主应力最大为690MPa，螺杆受力部位的第一主应力分布范围在274MPa~482MPa之间；螺母的第一主应力最大值为499MPa，均满足其要求。

4结论

（1）由于螺纹连接与实际载荷条件的多变性，螺纹根部会产生较大的局部应力集中问题，螺牙根部的局部材料会产生较大的弹、塑性变形；

（2）由图5中的应力云图能够看出，螺栓工作时的最危险点出现在螺纹根部，然后是螺栓头根部，并且这两处均存在显著的应力集中现象。这一现象与实际工况也是相吻合的；

（3）利用有限元分析，基于摩擦型高强螺栓的设计原理，进行了某型钢箱梁吊耳螺栓群的设计分析，能够做到理论指导实践，完成强度验算。

（4）在工程中使用高强螺栓吊装时，每次施拧螺栓时应检查螺纹是否出现小的裂纹或缺陷，出现缺陷的螺栓应及时更换，以确保施工安全。

参考文献

[1] 陈宜言. 波形钢腹板预应力混凝土桥设计与施工[M]. 人民交通出版社, 2009.

[2]宋建永. 波纹钢腹板体外预应力组合梁力学性能研究[D].

[3]刘磊, 钱冬生. 波纹钢腹板预应力结合梁桥[J]. 交通工程科技, 1999(2):27-29.

[4]蔡千典, 冉一元. 波形钢腹板预应力结合箱梁结构特点的探讨[J]. 桥梁建设, 1994.

[5]万水, 卢炳灿, 张恒平,等. 波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁桥设计与建造[C]// 全国结构工程学术会议. 2005.

[6]李明, 李俊, 周俊威, et al. 波形钢腹板预应力组合箱梁徐变性能研究[J]. 公路交通科技, 2014, 31(5):61-64.

[7] 唐继舜, 尹德兰, 刘磊. 波纹钢腹板桥梁的特色及其应用探讨[C]// 四川省公路学会桥梁专委会桥梁学术讨论会. 四川省公路学会, 1998.

[8]Johnson R P , Cafolla J . Corrugated webs in plate girders for bridges[J]. Structures & Buildings, 1997, 122(2):157-164.

[9]Luo R , Edlund B . Shear capacity of plate girders with trapezoidally corrugated webs[J]. Thin-Walled Structures, 1996, 26(1):19-44.

[10]A C M , B K H , B T T . High strength and high performance steels and their use in bridge structures[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2002, 58( 1):3-20.

[11]Elgaaly M , Seshadri A . Steel built-up girders with trapezoidally corrugated webs[J]. Engineering Journal, 1998, 35(1):1-10.

芦强（1991.11.04）男，汉，甘肃兰州，硕士，职称：讲师，单位：兰州工业学院，研究方向：机械电子