声屏障位移控制的分析.docVIP

概述 1.1工程背景 本工程背景为北京枢纽既有西长线提速，根据环保专业要求，在某段既有桥旁需增设声屏障。由于既有桥设计年代较早，直接在桥上设声屏障存在桥梁加固等诸多问题。故业主提出在桥两侧地面架设支柱与拉梁，并在拉梁上设声屏障型钢柱的方案（如图一a）。其中支柱为与桥墩对应布置，设为8米间距。H型钢柱为声屏障主要受力结构，每2米设一根（如图一b）。整个支架结构主要受到作用在声屏障上风荷载的影响。 图一a：声屏障支架剖面图 图一b：声屏障支架剖面图 1.2问题的提出 根据上序专业提出的要求，声屏障型钢柱柱顶的位移要控制在18mm。整个结构从下至上由支柱、拉梁和型钢柱组成，故顶部型钢柱柱顶的最大位移（下文简称最大位移）也由三者位移叠加产生。通过分析可以得出型钢柱柱顶的位移为： ……式1 其中——支柱柱顶的位移 ——支柱柱顶的转角 H——型钢柱柱高 ——拉梁受扭产生的整体转角 ——拉梁上翼缘受弯产生的变形转角 ——型钢柱受弯产生的变形位移 可见，最大位移与三者的刚度均有关系，其中型钢柱的截面已由环保专业给定，所以只能通过研究支柱与拉梁的截面来控制位移。 2 分析问题 2.1 基于MIDAS模型的分析 图二：声屏障支架MIDAS模型 笔者先用MIDAS建了5榀支架的整体模型（如图二），并设计了两组截面尺寸，通过多次试算来考察梁柱尺寸与壁厚对柱顶最大位移的影响。尺寸表及计算结果如表一、表二所示。 箱型柱尺寸 箱型梁尺寸 最大位移 位移减小值 300X300X12 300X300X12 41 300X350X12 350X350X12 35 6 300X400X12 400X400X12 31 4 300X450X12 450X450X12 28 3 300X500X12 500X500X12 26 2 300X550X12 550X550X12 25 1 表一：尺寸对最大位移的影响（单位：mm） 箱型柱尺寸 箱型梁尺寸 最大位移 位移减小值 300X500X8 500X500X8 31.7 300X500X10 500X500X10 28.5 3.2 300X500X12 500X500X12 26.3 2.2 300X500X14 500X500X14 24.7 1.6 表二：壁厚对最大位移的影响（单位：mm） 通过表一和表二可知，随着梁柱截面尺寸及壁厚的增加，最大位移的减小值越来越小，即对位移的影响越来越小。 通过多次试算，得到当柱截面为500X550X14mm，梁截面为500X500X12时，型钢柱柱顶的最大位移为18.4mm（如图三），发生在跨中的型钢柱柱顶。 图三：MIDAS所求位移图 由于MIDAS计算没有考虑构件局部变形的影响，即没有考虑拉梁上翼缘变形对型钢柱位移产生的影响，所以这样求得的型钢柱柱顶位移为： ………式2 式中没有包含的值。为了进一步研究的大小，以及尝试寻找其他减小最大位移的途径，下文建立了更为详细的ANSYS模型。 2.2 基于ANSYS模型的分析 通过上节分析可知，本节主要研究拉梁局部变形对于型钢柱位移的影响，所以并未把下部支柱建进模型，只建了两支柱间的一段模型（如图四）。 这样求得的柱顶位移为： ……式3 相关参数为:梁截面500x500x12,型钢柱200x200x7.5x11，采用壳单元shell181，单元尺寸50mm，钢材为Q235，弹性模量E=2.06×MPa， 泊松比=0.3，非线性阶段的材料属性为双线性随动强化，屈服强度=235MPa，屈服后切线模量取=1%E。约束加在拉梁两端底部与支柱连接的位置。 图四：ANSYS单元划分后的模型图 2.2.1 初始模型 本模型直接按照MIDAS的相关条件建模计算，计算分析后的最大位移为67mm（如图五），发生在跨中的型钢柱柱顶，与MIDAS模型的18mm相差甚远，且这还未考虑下部支柱位移的影响。 图五：初始强模型位移图 图六：初始模型H型钢与拉梁相交处应力图 究其原因，通过分析应力图可以知道，拉梁上翼缘在与型钢柱连接处一定区域内，最大应力达到230MPa，接近屈服强度。由于这一高应力区的存在，必定造成较大变形。 通过查看转角图，可得最大位移处型钢柱与梁翼缘连接处的节点转角约为0.018rad，再乘上柱高3580mm，得64.4mm（既式1中的），接近柱顶位最大移值67mm。可见，梁上翼缘的变形不仅会对型钢柱柱顶位移产生影响，而且在无任何加强措施下，这种影响非常大，起决定因素。MIDAS模型不能考虑构件局部变形的影响，导致了计算结果的失真。 2.2.2加肋板模型 为了约束拉梁上翼缘的变形，笔者尝试在拉梁与型钢柱连接处加了12厚的肋板。建模计算分析后，此时的柱顶最大位移降为11mm。拉梁上翼缘处