应力分析计算

2024-05-11

应力分析计算（精选十篇）

应力分析计算篇1

在挖掘机整体造型CAD完成后,通过ANSYS中相关分析模块对该新开发的产品具体结构形式进行力学分析,分析产品的安全可靠性,对其未来的状态进行模拟,及早发现设计中的缺陷,并证实未来工程、产品功能和性能的可用性和可靠性。计算结果反馈给设计师,可进一步对尺寸参数进行修改,从而完成产品的优化设计。

1 挖掘机车门的结构特点及其要求

车门以绕安装在车门侧的铰链为旋转轴来实现开启和关闭。承担载荷的部件有外门板、内门板、上加强板、下加强板、门锁加强板、铰链加强板和铰链,由薄板冲压成型并通过焊接连成一个整体的受力结构。对车门的要求有:(1)具有必要的开度,并能使车门停在最大开度,以保证上下车方便;(2)具有足够的刚度,不易变形下沉,行车时不振响;(3)开关方便;(4)具有良好的密封;(5)安全可靠。车门能锁住,行车或撞车时门不会自动打开;(6)制造工艺性好,易于冲压并便于安装附件;(7)外型上与整车协调。

车门是挖掘机设计中的一个相对独立的零部件。在车门设计中其安全性尤为重要,它必须保证在机器正常工作时,尽可能地减少对施工人员造成伤害,因此必须要求车门外覆盖件表面光洁、有韧性;碰撞后的车门必须能够轻松地不借助于任何辅助工具用手打开。鉴于侧面碰撞对驾驶员造成的危险性,在设计车门时,必须注意将车门的变形限制在一定范围内,为乘员提供一个有效的生存空间。这些都要求车门必须具备足够的强度和刚度。

根据标准知车门外板的厚度在0.7~0.85mm之间。车门外板尺寸如图1所示。

本文利用Pro/E中建立得到CAD模型,导入AN-SYS中进行分析计算,实现将CAD与CAE分析充分融合。

2 几何模型的简化

(1)壳单元及Shell63

对于一个壳体结构,如果采用平面单元,将会引起几何上的离散误差。我们采用曲面单元来描述壳体的真正形状,从而能用不太多的单元来代替复杂形状的壳体,并得到具有精确的解答。考虑横向剪切变形影响的曲壳单元,称为8结点40自由度的一般壳单元[1],如图2所示。

Shell63既具有弯曲能力又具有膜力,可以承受平面内载荷和法向载荷。本单元每个节点具有6个自由度:沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动和沿节点坐标系有X、Y、Z轴的转动。应力刚化和大变形能力已经考虑在其中。在大变形分析(有限转动)中可以采用不变的切向刚度矩阵。

本着节约计算时间,降低计算成本;去粗取精,集中精力抓住主要矛盾,优化造型件的原则进行几何模型的简化。

经过删除不必要的小孔和小倒角,填补曲面,得到简化的曲面形式的车门外板。单元节点的选择是一个重要的问题,节点数少,计算结果达不到精度要求,节点过多,又将使计算时间成倍地增加,降低计算效率。根据实际结构建成的模型并由ANSYS自动生成的网格,模型共有单元40142个,节点19470个。

3 车门工况分析确定

根据车门的结构特点和技术要求,依据国家有关强制性技术标准,确定前车门的分析工况如表1所示[2,3]。其中车门下沉分析中考虑其自重状态和车门把手加载状态两种工况,加载力以国标规定乘员体重为标准,即认为整个人体重量施加于把手上,以此种方式加载,分析结果较保守。车门扭转刚度与静压强度的分析中加载力的确定均以国标规定车门刚度与强度试验时加载力为依据进行计算。工况的确定具有一定的合理性与可行性。

3.1 车门下沉

(1)约束类型和加载方式

约束方式:门铰链处Dx=0、Dy=0、Dz=0、Rx=0、Ry=0、Rz=0;

加载条件:车门自重,在门把手处施加735N的Z方向的节点力。

Dx、Dy、Dz分别表示X、Y、Z轴方向的位移,Rx、Ry、Rz分别表示绕X、Y、Z轴的转动,其值均为0,表示门铰链固定,无位移与转动,在车门上加载,进行车门下沉分析。

(2)车门下沉情况与分析

用ANSYS分析结果如图3所示。

(1)最大应力位于门板与下铰链接触处,应力值为231MPa,由于此处表现为局部点的应力集中,会因塑性变形而产生应力重新分布,而其周围的应力多在150MPa左右,所以符合要求。

(2)最大变形出现在门把手处,其值为6.309mm,下沉刚度为265.34N/mm,参考ULSAC(超高强度钢汽车挡板)研究成果和其它类车,其值在合理范围之内。

3.2 车门扭转刚度

(1)约束类型和加载方式

1)CASE1门铰链处:Dx=0、Dy=0、Dz=0、Rx=0、Ry=0;门锁处Dx=0、Dy=0。

加载条件:在门板右上角施加900N的Y向力。

2)CASE2门铰链处:Dx=0、Dy=0、Dz=0、Rx=0、Ry=0;门锁处Dx=0、Dy=0。

加载条件:在门板左上角施加900N的Y向力。

3)CASE3门铰链处:Dx=0、Dy=0、Dz=0、Rx=0、Ry=0;门锁处Dx=0、Dy=0。

加载条件:在门板右下角施加900N的Y向力。

4)CASE4门铰链处:Dx=0、Dy=0、Dz=0、Rx=0、Ry=0;门锁处Dx=0、Dy=0。

加载条件:在门板左下角施加900N的Y向力。

(2)车门扭转刚度评价

1)四种工况下的最大应力变形如图4所示,扭转刚度如表2所示。

2)从分析结果比较来看,车门下部扭转刚度比上部扭转刚度大,最大变形位于车门右上角,达25.4mm,其值稍大,其余工况变形参考ULSAC研究成果,其值在合理范围之内。

3.3 车门挤压应变分析

(1)约束类型和加载方式

根据国家标准GB 15743-94的规定,车辆应满足:1)初始耐挤压力不得低于10000N;2)中间耐挤压力不得低于15560N;

3)最大耐挤压力不得低于相当于整车质量两倍的力或31120N两者之中的较小值。

确定工况加载与约束类型如下。

1)CASE1约束类型:铰链与车门固定处Dy=0、Dz=0、Rx=0、Ry=0、Rz=0;门锁处Dy=0。

加载方式:在车门中间加载10000N的压力。

2)CASE2约束类型:铰链与车门固定处Dy=0、Dz=0、Rx=0、Ry=0、Rz=0;门锁处Dy=0。

加载方式:在车门中间加载15560N的压力。

3)CASE3约束类型:铰链与车门固定处Dy=0、Dz=0、Rx=0、Ry=0、Rz=0;门锁处Dy=0。

加载方式:在车门中间加载31120N的压力。

(2)车门挤压应变评价

从图5所示变形图计算结果分析:

1)在CASE1工况中,在车门中间施加10000N的压力,车门最大变形在车门中部,沿受力方向变形量为159mm,符合国家标准要求;

2)在CASE2工况中,在车门中间施加15560N的压力,车门最大变形在车门中部,沿受力方向变形量为215mm,符合国家标准要求;

3)在CASE3工况中,在车门中间施加31120N的压力,车门最大变形在车门中部,沿受力方向变形量为281mm,符合国家标准要求。

4 结论

(1)有限元法是CAE的重要组成部分,通过有限元法在车门造型设计中的应用,为设计人员进一步优化车门结构,改善设计品质和提高设计的一次成功率提供了很大的帮助,并为以后提供理论依据。

(2)以挖掘机车门为例,探索了应用ANSYS软件对车门结构件分析的方法。分析表明,此车门结构性能基本满足各项要求,工况的确定较保守,能保证车门结构性能的可靠性,同时也为改进结构设计提供了理论依据。对车门结构设计来说,具有一定的参考价值。

(3)本次采用ANSYS有限元分析软件,在模型简化和建立过程中,经过反复试算,多次比较,最后形成了较合理的有限元模型。但车门结构较为复杂,力学模型的建立、网格划分、某些局部简化等问题,都还有待更深层次的研究。

参考文献

[1]王庆五,左昉,胡仁喜,等.ANSYS 10.0机械设计高级应用实例[M].北京:机械工业出版社,2006.

[2]Liaojun.Modeling and Analysis of Sink age's Stiffness of theFront Door[J].Mechanical Engineer,2008(01):146-147.

热应力分析计算云平台的建立篇2

【摘要】建立热应力分析计算云平台是为了加快铸锻工业的发展速度，提高铸锻工业的发展水平，并进一步降低铸锻件的生产研发成本，提升工艺，扩大利润，强化市场竞争力。本文主要介绍热应力分析计算云平台的构建过程。

【关键词】热应力；模拟；云平台。

1、概述

1.1 热应力分析计算云平台的建立的意义。随着我国工业现代化的迅猛发展，计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助工程（CAE）等计算机辅助系统在现代工业中的地位愈发凸显。为了加快铸锻工业的发展速度，提高铸锻工业的发展水平，并进一步降低铸锻件的生产研发成本，提升工艺，扩大利润，强化市场竞争力，遂决定建立热应力分析计算云平台。该平台基于强大的有限元分析，使其能够预测严重畸变和残余应力，模拟金属铸造过程中的流动过程，精确显示充填不足、冷隔、裹气和热节的位置以及残余应力与变形，准确地预测缩孔、缩松和铸造过程中微观组织的变化。与传统的尝试-出错-修改方法相比，基于该平台的可视化分析计算是减少制造成本，缩短模具开发交货时间和改善铸造过程质量的重要完美解决方案。

1.2 铸锻行业现状。铸锻行业是铸造业和锻造业的统称，铸造和锻造是机械工业毛坯的提供者，是机械制造行业的基石，对我国国民经济的发展起着重要的作用，在汽车、石化、钢铁、电力、造船、纺织、装备制造等支柱产业中，铸锻件都占有较大的比重。各种大小类型的机器，铸锻件一般占整个重量的50%～70%。在矿冶（钢、铁、有色）、能源（火、水、核电等）、海洋和航空航天等工业的重、大、难装备中铸锻件都占很大的比重和起重要作用。我国铸锻行业存在的主要问题：（1）产量大，厂点多，规模小，经济效益差；（2）铸件等级低、精度差、价格低；（3）铸造技术、铸造设备相对落后。

1.3 相关概念介绍。热应力：温度改变时，物体由于外在约束以及内部各部分之间的相互约束，使其不能完全自由胀缩而产生的应力。又称变温应力。求解热应力，既要确定温度场，又要确定位移、应变和应力场。与时间无关的温度场称定常温度场，它引起定常热应力；随时间变化的温度场叫非定常温度场，它引起非定常热应力。热应力的求解步骤：①由热传导方程和边界条件（求非定常温度场还须初始条件）求出温度分布；②再由热弹性力学方程求出位移和应力。云平台：这种平台允许开发者们或是将写好的程序放在“云”里运行，或是使用“云”里提供的服务，或二者皆是。

2、平台设计相关理论

热应力分析计算运用的是模拟的方法，而后再将这种方法植入云服务平台。模拟是对真实事物或者过程的虚拟。模拟要表现出选定的物理系统或抽象系统的关键特性。模拟的关键问题包括有效信息的获取、关键特性和表现的选定、近似简化和假设的应用，以及模拟的重现度和有效性。可以认为仿真是一种重现系统外在表现的特殊的模拟。

云平台提供的服务分为三大类：（1）软件即服务（Software as a service，SaaS）：SaaS应用是完全在“云”里（也就是说，一个Internet服务提供商的服务器上）运行的。其户内客户端（on-premises client）通常是一个浏览器或其他简易客户端。（2）附着服务（Attached services）：每个户内应用（on-premises application）自身都有一定功能，它们可以不时地访问“云”里针对该应用提供的服务，以增强其功能。由于这些服务仅能为该特定应用所使用，所以可以认为它们是附着于该应用的。（3）云平台（Cloud platforms）：云平台提供基于“云”的服务，供开发者创建应用时采用。你不必构建自己的基础，你完全可以依靠云平台来创建新的SaaS应用。云平台的直接用户是开发者，而不是最终用户。

3、可行性分析

3.1 经济可行性。目前计算单件费用大约在2-30万，主要清华大学、计算所和西安交通大学等进行分析计算。因此，从系统多方面的功能和用途来预算，开发本系统在成本花费上要远小于它在未来应用中的实用效益，故开发此项目具有经济可行性。

3.2 技术可行性。依靠ESI公司提供的ProCAST软件为计算核心，结合自主打造的云服务平台，两者可以完美融合，故开发此项目具有技术可行性。

3.3 操作可行性。从操作系统上来看，本软件力求做到人机界面友好，操作流程清晰，界面简洁，故开发此项目具有操作可行性。

4、平台的设计

平台设计为ProCAST+SaaS结构：以ProCast为模拟计算核心，以SaaS架构为基础平台，基于模块化的开发方法构建完成。平台具备以下特性：（1）可扩展性，也就是系统的维护性，在系统产生新的需求时，不用修改程序直接利用系统的扩展性就可解决。（2）分解性，将一个大型系统分解为若干的子系统模块。（3）组装性，子系统模块实现后，可以方便地用于构建新的大型系统。（4）可移植性，为了适应今后的发展，要求系统具有可移植性强的特性。（5）保护性，在模块发生错误时减少副作用的发生。

4.1 适用范围。模块化设计适合任何铸造过程的模拟：高、低压铸造，砂模铸造、金属型铸造和斜浇注，熔模铸造，壳模铸造，消失模铸造和离心铸造，等等。

4.2 材料数据库。平台计算核心可以用来模拟任何合金，从钢和铁到铝基、钴基、铜基、镁基、镍基、钛基和锌基合金，以及非传统合金和聚合体。得益于长期的联合研究和工业验证，使得通过工业验证的材料数据库不断地扩充和更新，同时，用户本身也可以自行更新和扩展材料数据。除了基本的材料数据库外，平台计算核心还拥有基本合金系统的热力学数据库。这个独特的数据库使得用户可以直接输入化学成分，从而自动产生诸如液相线温度、固相线温度、潜热、比热和固相率的变化等热力学参数。平台计算核心提供了能够预测评估整个铸造过程的完整软件解决方案，包括模型填注，凝固，微观构造和热力的模拟。能够快速可视化铸型设计的影响，使得制造过程的早期能够做出正确的决策。

4.3 特点和规格。平台计算核心是完整的模块软件解决方案提供众多的模块和工程工具来满足铸造业最复杂的要求。在过程的每个阶段选择每个特定模块：模填充的流体求解器包括半固体材料，消失模和离心铸造；用于凝固和收缩预测的热求解器包括辐射选项；应力求解器包括热应力和变形；而且，还可以选择一些专门和高级金属选项来预测；气体和微孔；铁合金的微观构造；颗粒结构形式。

4.4 SaaS平台。热应力分析計算云平台是一款面向个人和企业用户的云服务平台，可通过浏览器及客户端两种方式登录。通过后续扩展，平台可包括计算、数据库、通讯、邮箱、办公自动化、网盘、办公协同等多款云端应用。

5、结语

热应力分析计算云平台的建立是一项复杂而艰巨的任务，需要大量的初期投入，但是该平台的建立对于提高整个铸锻行业的发展乃至国民经济的发展都有着重大意义。

参考文献

[1]司品超，董超群，吴利，张超容.云计算：概念.现状及关键技术[A].2008.

[2]Luis M V， Luis Rodero-Merino， Juan Caceros， Maik LiMner. A break in the clouds：toward a cloud definition[J]. Computer Communication Review （ACM SIGCOMM）， 2009.

作者简介

1.段涛（男）1986.10生，大学本科，助理工程师，主要从事信息化管理，系统集成，计算机网络、网络设备管理等工作；

应力分析计算篇3

温度作用是指因温度变化引起的结构变形和附加力，当结构物所处环境温度发生变化，且当结构或构件的热变形受到边界条件约束或相邻部分的制约，不能自由胀缩时，就会在结构或构件内形成一定的温度应力即温度作用。

对于钢筋混凝土烟囱而言，当筒内烟温较低时，会发生结露导致低温腐蚀的发生，当筒内烟温过高时，筒身会因温度应力的作用而开裂[1]。对筒壁外侧因烟气温度的作用产生环向拉应力，而筒壁内边因日照等因素对冷筒阶段要产生拉应力。当拉应力设计值达到或超过筒身混凝土的抗拉设计强度，将形成竖向裂缝[2]。

1 温度计算方法

1.1 温度计算方法新旧规范对比

温度计算内容包括筒壁、内衬、隔热层的内外表面的温度和钢筋混凝土筒壁中钢筋的温度。通过温度计算，可进行温度应力计算。新GB 50051-2002烟囱设计规范[3]对GBJ 51-83烟囱设计规范[4]进行了一些改动。内衬内表面吸热系数、筒壁外表面放热系数、烟囱各层的导热系数以及热阻的单位和数据均进行了变动。首先新规范将旧规范中的摄氏度(℃)均变换成开尔文(K)，其次在数据上发生不同程度的增长。旧规范对烟囱进行计算时仅采用平壁法，而新规范则提出环壁法概念。

采用平壁法或环壁法计算内衬、隔热层、筒壁或基础环壁、烟道壁各点的受热温度可按下式计算:

内衬、隔热层和筒壁等的总热阻按下式计算:

1.2 实例计算

在对某发电厂100 m钢筋混凝土烟囱的现场观测时发现，烟囱在标高30.5 m以及9.75 m处分别出现一些裂缝，且在30.5 m处的筒壁开裂更加严重，造成混凝土钢筋锈蚀体积膨胀，导致筒壁四周保护层起壳外鼓，发生剥落。所以在对烟囱进行温度计算时仅选取标高30.5 m处进行计算。因其高度高，筒壁外径大，相对来说筒壁厚度较小，所以可以采用平壁法计算温度。

由于混凝土的传热性能差，当外侧受到日照、寒潮等自然环境的影响时，使表面混凝土温度迅速升高(降低)，但结构内部温度仍处于原来状态，混凝土的各个部分处于不同的温度状态，从而产生温度应力。所以在进行温度计算时必须分别考虑夏季和冬季，根据合肥本地实际情况，取夏季室外最高温度50℃，冬季室外最低温度-10℃，烟气温度150℃，地面粗糙度B类。

1)夏季Tk=50℃，Ty=150℃时，如表1～表4所示。在计算内衬热阻时，新规范没有给出普通粘土砖砌体导热系数，所以仍然采用旧规范中规定导热系数予以计算。

表3中的平均温度与表1中的平均温度的误差不超过5%，热阻按照表1的数值。

℃

2)冬季Tk=-10℃，Ty=150℃时，如表5～表8所示。表7中的平均温度与表5中的平均温度的误差不超过5%，热阻按照表5的数值。

℃

可以看出，根据新规范计算得出的温度普遍低于根据旧规范计算所得温度，最高相差达到了9.5℃。夏季温度降低幅度均不超过6%，而冬季温度的降低幅度则全部超过13%。由此可见，规范对于温度计算中的内衬内表面吸热系数、筒壁外表面放热系数、烟囱各层的导热系数以及热阻的单位和数据的变动，对冬季温度计算的影响很大，是不容忽视的。

2 温度作用下水平截面的应力计算

2.1 新旧规范对比

混凝土具有热胀冷缩的物理性质，当环境温度发生变化时，就会产生温度变形，筒壁内表面的自由变形大于外表面的自由变形，而筒壁的变形连续性条件不允许筒壁发生转动，故将产生垂直方向和水平方向的温度应力。当温度应力超过混凝土的抗拉强度时，必将出现裂缝。因此筒壁出现裂缝时，计算出相应截面的混凝土压应力σct和钢筋拉应力σst，对在实际设计和加固过程中更好的调整内衬、隔热层和筒壁的厚度和材料具有积极重要的意义。

在旧规范计算混凝土和钢筋的应力时，提供两种方案来计算。第一种方案不考虑裂缝间受拉钢筋和混凝土应变的不均匀性，第二种方案考虑裂缝间受拉钢筋和混凝土应变的不均匀性。根据烟囱实际受力和开裂情况，在此进行温度应力计算时，仅采用第二种方案分析计算。公式如下:

新规范仅采用一套公式，考虑裂缝间受拉钢筋和混凝土应变的不均匀性。式(4)和式(6)虽然相同，但在计算筒壁截面相对受压区高度系数ξ和受拉钢筋在温度作用下的应变不均匀系数φst，新旧规范有所区别。

2.2 实例计算

实际烟囱在标高30.5 m处的开裂现象最为严重，因此仅计算在此处的水平截面在温度作用下混凝土压应力σct和钢筋拉应力σst，结果见表9。

N/m2

新规范在进行受压区相对高度计算时，采取的配筋率分别考虑了筒壁内侧和外侧的配筋，最终得到的相对高度高于按旧规范计算所得数值，同时应变不均匀系数和混凝土压应力值降低，但是钢筋的拉应力值却和旧规范建立的公式计算结果非常接近。这表明，在温度单独作用下，旧GBJ 51-83烟囱设计规范所建立的基本假设和理论推导都是合理的。

3 结语

本文主要对烟囱受损截面进行温度应力分析。在高温作用下，混凝土和钢筋的强度及混凝土的弹性模量出现降低，但是破损截面的钢筋拉应力和混凝土压应力都满足规范的安全要求。对新GB 50051-2002烟囱设计规范和旧GBJ 51-83烟囱设计规范进行对比计算，发现新规范计算得到烟囱各部位的温度以及材料强度值明显低于旧规范，但是破损截面应力值却非常接近。

摘要：首先叙述了新旧《烟囱设计规范》中烟囱温度应力计算方法,并结合具体实例采用两种计算方法对烟囱受损截面进行了温度应力分析,指出按照新规范计算得到的烟囱各部位温度及材料强度值明显低于旧规范,但破损截面应力值很接近,为烟囱的加固设计提供计算依据。

关键词：钢筋混凝土烟囱,温度,应力

参考文献

[1]Richard D.Peacock.Chimney fires:Intensity and duration[J].Fire Technology,1986(22):30.

[2]张俊生.钢筋混凝土烟囱温度应力浅析[J].科技情报开发与经济,2001,11(6):43-44.

[3]GB50051-2002,烟囱设计规范[S].

应力分析计算篇4

铁路路基动应力计算方法及沿深度衰减规律

通过具体的算例比较了两种动应力计算公式之间的差别,得出结论:动应力在基床表层范围内衰减较快,工程中增大基床表层厚度或者增大基床表层模量可以显著加速动应力的.衰减,减小基床表层底面处动应力值.随着列车轴重、运行速度的提高,路基中动应力呈线性增长.

作者：彭伟杭红星 PENG Wei HANG Hong-xing 作者单位：彭伟,PENG Wei(中交四航局一公司,广东,广州,510000)

杭红星,HANG Hong-xing(西南交通大学道路与铁道工程系,四川,成都,610031)

刊名：山西建筑英文刊名：SHANXI ARCHITECTURE 年，卷(期)： 36(12) 分类号：U213.1 关键词：路基动应力基床表层厚度 Boussinesq理论

现浇预应力桥梁支架的稳定性计算篇5

底模板的线荷载为：q =（q1+q2+q3+q4）×1.0

=（2.5+2.0+0.12+26.28） ×1.0

=30.9KN/m

底模板最大弯矩：Mmax=ql2/10

=30.9×0.22/10=0.1236KN·m

抗弯截面系数：Wz=bh2/6

=1000×122/6

=24000mm3

σ=Mmax/Wz

=0.1236×106/24000

=5.15N/mm2<[σ] =60N/mm2（满足要求）

3.3 挠度验算

w =ql4/150EI

=25.82×2004/（150×6000×144000）

= 0.38mm

0.38/200=1/526<1/400（满足要求）

其中截面惯性矩I=bh3/12

=1000×123/12

=144000mm3

结论：模板强度、挠度可靠。

4 满堂脚手架立杆稳定性验算

4.1 荷载计算

q7、支架荷载：0.873KN/m2（计算支架荷载时，取一单元，平面投影为2.4×1.8m2，见下图）

q7={（1.2m×4+1.2m×2+1.2m÷2×4+0.9m×2+0.9m÷2×4）×5层×57.2×10-3KN/m}/（2.4×1.8） =0.873 KN/m2

13.25/6500=1/491<1/400（满足要求）

结论：工字钢强度、挠度可靠。

6 地基承载力验算

因该桥路段为已形成的道路，承载力高，对该部分不进行处理；辅道两侧及跨三环路段中央分隔带为绿化带，在搭设支架前需对地基进行处理，处理办法为：先除去耕作土，做30cm厚的砂砾石层，支架底部垫0.5m×0.5m×0.25m的 C25混凝土块，要求地基承载力N/A=34.82/（0.5×0. 5）=139.28Kpa，根据地勘报告，该区域内的原状土地基承载力为230 Kpa（粘土），满足要求。

7 预压前底模预拱度的确定

支架搭设完毕，在铺设固定底模时，应尽量本着保证底模在预压后做到不调整或少调整。结合地基、支架等因素的影响及本工程的特点，底模的预拱度主要考虑以下几方面：

7.1 脚手架及结点的弹性压缩。

7.2 地基沉降的非弹性压缩。

7.3 结构自重、施工荷载产生的挠度值。

8 支架预压和跟踪测量

为了检查支架的承载能力，减小和清除支架的非弹性变形及地基的沉降量，在支设模板前对支撑体系进行预压。根据设计要求和施工规范，加载时做到均匀、对称。在加载前首先按支点、1/8、1/4、3/8、1/2断面分别在桥横断面按左、中、右布设测量点位。预压材料为砂袋，最大荷载为设计荷载的1.2倍，分段加载，预压48h。观测的方法是采用水准仪倒尺测量，测加载前标高为Δ1，加载后标高为Δ2，卸载后标高为Δ3。根据观测结果绘制出沉降曲线。预压后调整底模标高。

9 结论

应力分析计算篇6

关键词：汽车,前梁,基本参数,应力计算

1 前梁工作原理及结构

从动桥即非驱动桥, 又称为从动车轴。它通过悬架与车架或承载式车身相连, 其两侧安装着从动车轮, 用以在车架或承载式车身与车轮之间传递铅锤力、纵向力和横向力。从动桥还要承受和传递制动力矩。

前桥承受汽车的前部重量, 把汽车的前进推力从车架传给车轮, 并与转向装置的有关机件作关节式的联系, 实施汽车的转向。它利用两端通过主销于转向节连接, 用以转向节的白转来实现汽车的转向, 为使汽车在行驶中具有较好的直线行驶能力, 前桥应满足下列要求:

汽车在行驶过程中可能遇到的最严重的受力情况而不破坏;前桥受力变形要小, 保证主销和转向节有正确的定位角度, 使转向车轮运动稳定, 操纵轻便, 并减小轮胎磨耗;转向节与主销, 转向节与前轴之间的摩擦力应尽可能小, 以保证转向的轻便, 磨损小;转向桥的摆振最小。当转向车轮偶然遇到外力作用发生偏转之后, 能够迅速自动回正, 且转向灵活、轻便、轮胎磨损少。

2 前梁基本参数的确定

首先我们要根据任务选取车型, 然后通过查阅文献和工程手册等来获取设计信息。当我们了解了前梁的结构和作用后, 便可以进行设计计算。

本次的设计是针对总质量为9吨的载货汽车进行的, 我们选取EQ1092F汽车作为参考来获得计算前梁应力所需要的参数, 下表1中数据包含了整车参数。

从表1中我们可以得到计算时所需要的主要参数, 这些参数反映了前梁的尺寸和受载情况。在设计过程中可能会遇到需要设计人员根据实际情况合理设计的结构参数。

3 非断开式转向从动桥前梁应力计算

转向从动桥采用工字形断面的前梁, 可保证其质量最小而在垂向平面内的刚度大、强度高。工字形断面尺寸的推荐值见下图1, 图中虚线绘出的是其当量断面。转向从动桥前梁拳部之高度约等于前梁工字形断面高度, 而主销直径可取为拳部高度的0.35-0.45倍。

下面对制动工况下的前梁应力进行计算。

制动时前轮承受的制动力Pτ和垂向力Z1传给前梁, 使前梁承受转矩和弯矩。考虑到制动时汽车质量向前转向桥的转移, 则前轮所承受的地面垂向反力为undefined

式中:G1——汽车满载静止于水平路面时前桥给地面的载荷;m′1——汽车制动时对前桥的质量转移系数, 对轿车和载货汽车的前桥可取1.4—1.7。

根据表1, 取G1=2380×9.8=23324 (N) , 因为m′1可以取1.4-1.7, 这里取m′1=1.6所以, undefined。

前轮所承受的制动力为:Pτ=Z1φ (2)

式中:φ——轮胎与路面的附着系数。其中, φ取沥青或混凝土 (干) 路面上的附着系数0.85。

所以, Pτ=18659.2×0.85=15860.32 (N) 。

制动力Pτ还使前梁在主销孔至钢板弹簧座之间承受转矩T:undefined

式中:rr——轮胎的滚动半径, mm。根据法规GB516-82这里取为509mm, 因此T=8072903N·mm。

前梁在钢板弹簧座附近危险断面处的弯曲应力和扭转应力 (单位均为MPa) 分别为:

undefined

式中:Wt——前梁在危险断面处的扭转截面系数, mm3;σmax——前梁横断面的最大厚度, 146mm;h——工字形断面矩形元素的长边长, 90mm;δ——工字形断面矩形元素的短边长, 70mm;Jk前梁横断面的极惯性矩, 对工字形断面, Jk=0.4∑hδ3=12348000mm4。

所以, 前梁应力的许用值为[σw]=300MPa:[τ]=150MPa。从上面结果我们可以看出弯曲应力不符合条件, 因为a的值在拳部是可变的, 并且梁的危险截面在板簧座靠近拳部一侧的附近, 正因为这个原因, 我们才要将拳部中间部分设计成变截面样式。现在我们假定a=17mm, 则:

由此我们可以得出, 板簧座靠近拳部的变截面部分厚度在危险截面处应不小于 , 因为危险截面的具体位置不能够确定, 所以这个变化趋势就要由设计者根据实际情况和经验来进行合理的设计, 结合后面的工程分析来检查设计是否合格;如果不合格, 再进行合理的改进。前梁可采用45, 30Cr, 45Gr等中碳钢或中碳合金钢制造, 硬度为241-285HB。

理论上, 我们还应计算侧滑工况下的前梁应力, 但因篇幅所限, 仅列出计算结果, 侧滑工况下的最大应力值为74.2MPa。

4 结果分析

经过设计计算, 在制动工况下我们要注意前梁拳部变截面部分a值得选择, 因为危险截面的具体位置没有确定, 所以设计者要根据自己的经验和实际情况进行合理的设计, 然后利用工程分析来检验是否合理。在侧滑工况下, 只需要对弯矩最大的一侧进行应力计算即可。

在设计计算中所得结果如表2所示, 前梁在制动工况下σw=194MPa和侧滑工况下σ=74.2MPa, 许用弯曲应力为σ=393MPa。

参考文献

[1]刘维信.汽车车桥设计[M].北京:清华大学出版社, 2004, 4.

[2][日]出射忠明著, 郝长文等编译.汽车构造图解[M].长春:吉林科学技术出版社, 1995.

[3]王望予.汽车设计[M].北京:机械工业出版社, 2004, 8.

[4]陈家瑞.汽车构造 (下册) [M].北京:机械工业出版社, 2005, 1.

[5]余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社, 2000, 10.

[6]中国汽车技术研究中心.中国汽车车型手册[M].北京:学苑出版社, 2000.

应力分析计算篇7

车架是自卸车的关键部件, 在装载、运输、卸载中承受主要的载荷。车架性能的优劣直接影响着整车的使用寿命, 同时更反映了整车的技术水平。一般来说, 自卸车在一个工作循环中, 要经历以下过程:

首先自卸车静止在工地装载沙石、煤等物料, 此时车架受到物料突然撞击车厢而产生的瞬态随机载荷;装满物料后, 自卸车经工地路面离开装载区, 一般来说工地路面是十分恶劣的, 而且在这样恶劣的路面上自卸车还要经历上坡、下坡、转弯等直到进入运输公路路面, 这个过程中车架承受严重的路面冲击;在进入运输公路路面后, 自卸车要经历上坡、下坡、转弯直到进入卸载区, 这个过程中, 路面情况相对好些, 矿用自卸车受到来自路面的冲击相对小些;进入卸载区后, 自卸车要进行举升卸载, 最后空车返回, 这个过程中, 车架要承受油缸举升车厢产生的反力。

自卸车在以上工作过程中, 车架的应力和变形情况是很复杂的, 例如弯曲、扭转、拉伸, 以及它们的任意组合。

2 自卸车工况分析

根据车辆的实际运行情况, 自卸车在一个工作循环过程中, 可以分解为以下几种典型的工作状态[1]:

2.1 空载工况

这种工况不是车架破坏的原因, 通常情况分析这个工况的目的是了解车架的整体应力水平。这个工况可以计算出车的各个截面的弯曲应力。

2.2 满载静止工况

自卸车在满载静止或平直路面匀速行驶时车架要承受很大的静压力, 此时车架会由于弯曲变形而产生弯曲应力。弯曲应力较大的位置是在前、后桥同车架的连接处。

2.3 不平路面工况

在工地恶劣的路面上行驶, 自卸车要承受数倍于静止工况时的载荷。根据有关文献, 可以3倍的满载静止载荷模拟不平路面上车架的载荷。

2.4 启动工况

当自卸车满载启动时, 主要承受两种载荷。一种是由于惯性力的作用, 车架要承受很大的除自身惯性力以外的安装质量的向后惯性力, 如满载的车厢的惯性力对车架的拉力;另外一种是驱动桥对车架的推力。

2.5 制动工况

此工况与启动工况相似, 由于前后轮同时制动, 车架要承受自身惯性力的作用和由其上的安装质量的惯性力引起的向前的拉力作用。但是驱动桥对车架的作用力同启动工况相反。

2.6 转向工况

自卸车在转向的时候要承受很大的离心力的作用, 使得左右纵梁承受不对称的载荷。当车速达到一定值时, 地面摩擦力不足以提供整车的向心力, 此时自卸车将会发生侧翻。

2.7 模态分析工况

自卸车在不平的路面上行驶时, 受路面不平度和车速联合产生一定频率范围内的振动冲击, 发动机也会产生一定频率的振动。当发动机怠速转动时, 启动、正常运转、制动时, 另外一些非悬挂质量也会产生振动。这些振动很可能与车架发生共振。所以有必要对车架的固有频率和振型进行分析, 以避免车架同以上部件产生共振。

2.8 装载时物料冲击工况

自卸车在装载物料时, 物料会从一定的高度自由落体到车厢上, 这样会对车架造成很大的冲击。

2.9 弯扭工况

当车辆在不平路面上行驶时, 车架会发生扭曲变形, 根据有关文献, 可以在满载情况下, 将右前轮抬高332mm, 左后轮抬高172mm[2], 来模拟车架的弯扭工况。

2.10 举升工况

自卸车在举升卸载时, 随着车厢转角的增大, 车架的应力状态不断变化, 这一系列变化的应力很容易导致车架同举升油缸连接处疲劳破坏。

限于篇幅, 本文只对具有代表性的几种工况进行了分析, 分别是满载静止工况、弯扭工况。

3 分析过程中需要注意的问题

随着计算机技术的迅速发展和有限元理论的成熟, 传统的计算方法已经不能适应现代快速、精确设计的需求。运用计算机计算车架各种工况下的应力和变形已经成为工程师在设计时广泛采用的方法[3]。利用有限元计算车架的应力要注意控制以下重点:

3.1 单元的选择

车架属于薄壁结构, 而且一般来说壁厚均匀。根据有限元的相关理论, 可以用壳单元进行模拟, 在具体分析时可以根据不同位置定义相应的厚度和材料属性[4]。

3.2 副车架和车厢对车架刚度的贡献

副车架同车架通过止推板、U形螺栓、弹性连接座连接在一起, 共同承受各种载荷, 所以将副车架也纳入到分析中。车厢同副车架铰接在一起, 并且在物料和自重的压力作用下, 紧贴在副车架上, 所以在分析过程中不可忽略车厢刚度对车架刚度的影响。分析中车厢可以用mass point模拟, 并且同副车架的相应位置进行耦合, 来计算车厢对车架刚度的作用力。

3.3 铆钉和螺栓连接处理方法

纵梁一般由两层8mm的钢板用铆钉或螺栓连接在一起, 横梁与纵梁的连接也采用该种方式。在具体分析中, 可以将螺栓或铆钉的连接点用spot welding模拟。

3.4 发动机、变速器及其它附件对车架的作用

发动机、变速器及其它附件对车架的作用可以分为两方面。一方面是发动机、变速器由于自身的重力对车架造成的影响, 尤其是在动载过程中, 它们对车架造成了很大的应力。另一方面是由于发动机、变速器采用支架同车架连接在一起, 它们对增加车架的刚度所做的贡献是不可忽略的。在具体分析中, 可以采用mass point在相应位置进行模拟, 并根据不同零部件的质量赋值。

3.5 悬挂系统及车轮

悬挂系统及车轮用spring进行模拟。

如果是为了计算车架的整体应力状态, 根据有限元的相关理论, 在进行具体分析时, 可对结构进行简化处理。采取的简化措施主要有:忽略非承载件的影响;忽略部件上不需特别关注的倒角和用于装配的小孔;假设焊接都是理想焊接, 焊接区域材料属性与其他区域相同;根据结构具有对称的特点, 仅建立结构的半边结构模型, 然后利用对称处理命令映射为全部的有限元模型。实践证明, 这些简化措施是可行的, 但是如果为了掌握局部区域的应力状态, 以上简化措施是不可取。而且一般来说要采用实体单元和更小的单元尺寸来提高求解的精度。

4 分析结果

根据某型号自卸车的实际几何参数建立主副车架的有限元模型, 采用边长为20mm矩形单元对模型进行划分网格, 对一些连接比较复杂的区域采用refinement命令进行细化, 共产生64849个节点、62917个单元。在相应的位置加载边界条件和载荷后导入求解器进行计算, 计算结果如下。

4.1 满载静止工况

从图1中可以发现最大弯曲应力发生在车架同前后桥的连接位置处, 图1 (b) 更加直观地反映了主副车架在不同位置处的应力变化。利用查询命令可以精确地获得每一点的应力和应变值。根据查询可知, 车架在后桥位置处的弯曲应力为50MPa, 其应力值远低于材料的屈服极限, 说明车架开裂主要是因为突然过载或疲劳失效。

4.2 弯扭工况

从图2中可以发现, 第一横梁同车架连接处有较大的应力。图2 (b) 为后横梁的应力云图, 从图中可以发现, 横梁腹板时开的圆孔和开口孔有效地分担了横梁同纵梁连接处的应力。图3为在弯扭工况下车架的变形图, 可以直观地掌握车架各部位的最大变形。

5 结语

一般来说, 一个企业的载货车车架及其副车架在结构形式上变化不大, 所以企业可以根据自身产品的特性, 规范分析流程和分析过程中需要注意的重点, 做出一个标准, 这样可以大大缩短产品设计、分析周期, 也可以结合自身产品特性, 对大型通用有限元分析软件进行二次开发, 使得分析流程更加符合企业发展的需要。

摘要：在论述自卸车的工作环境及其车架在相应工况下的应力情况的基础上, 提出了采用有限元方法来计算车架在各种工况下的应力和变形情况, 着重指出在采用有限元方法时需要注意的问题。并以某型号自卸车车架为例, 采用有限元方法计算车架在满载静止和弯扭工况下的应力和变形情况。充分说明了有限元法在现代设计方法中的优点。

关键词：自卸车,车架,有限元,应力

参考文献

[1]王晓东.特种载重车在行驶状态下车架的有限元分析[J].电大理工, 2004 (4) :47-48.

[2]余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社, 1989.

[3]王勖成, 邵敏.有限元法基本原理和数值方法.北京:清华大学出版社, 1997.

应力分析计算篇8

后张法预应力构件广泛应用于大中跨径桥梁, 在预应力筋张拉控制应力过大, 过小都将产生不良影响。梁板为预制构件, 后张拉施工采用“双控值”, 即在预应力筋张拉过程中, 除了从油压表读数来控制应力值外, 还应用测量预应力筋实际伸长值来校核。通过伸长值的校核, 可以综合反映张拉力是否足够, 孔道摩阻损失是否偏大。根据《公路桥涵施工技术规范》“JTJ041-2000”的规定, 预应力钢筋 (束) 的伸长量计算式为:

式中Δl-为预应力钢束的伸长量 (m) ;

Pp-为预应力钢束的平均张拉力 (N) ;

l-从张拉端至计算截面的孔道长度 (m) ;

P-预应力钢筋张拉端的张拉力 (N) ;

A p-为预应力钢束的横截面积 (mm2) ;

Ey-为预应力钢束的弹性模量 (MPa) ;

k-每米孔道局部偏差对摩擦影响的系数;

u-预应力筋与孔道壁之间的摩擦系数;

θ-从张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角 (rad) 。

1、公式的应用

根据公式 (1) 可知, 预应力筋的张拉伸长值, 在选定预应力筋的品种、材质、长度的情况下, 预应力筋张拉伸长值的大小主要由所受拉力大小决定, 而张拉力的大小通常受外界摩擦的影响。后张法的预应力筋一般分布呈直线和曲线两种状态。张拉时, 预应力筋将沿管道壁滑移, 而产生摩擦阻力。摩擦力主要由管道的弯曲和管道的偏差两部分影响产生。从理论上说, 直线管道部分无摩擦损失, 但由于施工中管道位置的偏差及孔道不光滑等原因, 在预应力筋张拉时, 实际上仍会与孔壁接触而引起摩擦, 称为管道偏差影响;弯道部分, 则除了管道偏差影响之外, 同时还有因孔道弯转, 预应力筋对弯道内壁的径向压力所引起的摩擦, 这称为弯道摩擦影响。

公式 (1) 中的参数应根据实际情况逐个取值。E值在实际的理论伸长值计算时, 预应力弹性模量的值必须经过试验来确定。对于非直线布置的预应力筋, 钢筋应力的数值要随与摩擦有关的系数K、u值的变化而变化, 在施加预应力前, 要对同一施工条件下的管道摩擦系数进行实际测定。

2、工程应用

某高速公路本合同段有人行天桥2座, 均采用2-25预应力空心板梁设计。梁板为预制构件, 后张拉施工。已知钢绞线规格为φs15.2mm, 公称面积139mm2, 标准强度pk=1860MPa, 预埋塑料波纹管, 钢绞线按5股和6股组合成钢束, 编号分别为N1、N2, 设置在梁板的受拉区, 梁板两端用O V M15-5和OVM 15-6锚具固定。现以N1钢束为例计算钢束伸长值。N1孔道形状θ、x值如图1所示。

通过以上对桥涵施工技术规范中公式 (1) 伸长值计算公式的分析, 对各参数的取值是决定计算结果误差的一项重要工作。在本项目中对本合同段的钢束进行试验确定参数为:弹性模量Ep=1.95×105MPa, K=0.0015;u=0.17。

从图 (1) 可以看出, N1钢束为曲线与直线竖弯, 两端非对称张拉, 直接采用公式 (1) 进行理论伸长值的计算, 会出现一定的误差。因此对于非对称的预应力筋而言, 首先应确定每一侧预应力筋的计算长度。根据文献[2]中的推导公式

对N1得l左=7.3m, l右=17.2m,

后张法预应力筋的布设, 通常以曲线为主, 直线为辅, 故在计算预应力筋的伸长量对直线段与曲线段两部分分别计算, 然后各段叠加。参考文献[2]中直、曲线组合而成的多段预应力筋伸长值的计算公式:

因此N1钢束采用分段计算, 按直线与曲线段分别计算理论伸长值, 再各段求和得到整个预应力筋的伸长值。计算结果如表一所示。

3 结论

预应力钢筋的实际伸长值与理论计算伸长值之间有一定的误差, 究其原因, 主要有预应力钢筋的实际弹性模量与计算时取的值不一致;千斤顶的拉力不准确;孔道的摩擦损失计算与实际不符合测量误差等, 但这种误差根据《公路桥涵施工技术规范》第5、6、11条规定6%是属于正常范围。在本项目中采用此计算是合适的。

摘要：本文就公路桥涵施工技术规范“JTJ041-2000”给出的预应力筋伸长值公式参数及其取值进行分析, 探讨了预应力筋伸长值的理论计算方法。

关键词：钢束,伸长量,管道摩擦

参考文献

[1]JTJ041-2000公路桥涵施工技术规范[M].北京:人民交通出版社.2000

斜拉桥横梁预应力效应的计算与分析篇9

目前已建及在建的混凝土斜拉桥主梁的截面形式基本可分为双主梁形式和单箱多室形式两种,主梁的横向宽度以20～40m居多,横梁多采用预应力结构。对于单索面斜拉桥,拉索多布置在主梁中心,其横梁的受力特点接近双悬臂梁,可按照在索面中心位置布置竖向约束的双悬臂梁进行计算,一般采用在截面上部布置横向预应力束来克服荷载效应;对于双索面斜拉桥,拉索多布置在主梁两侧,其横梁的受力特点接近简支梁,可按照跨径为两索面中心距离的简支梁进行计算,适当考虑两端的弹性固结效应,一般采用在截面下部布置横向预应力束来克服荷载效应。

桥梁工程师在实际设计中一般取单节梁段建立平面杆系模型对横梁进行受力分析,布置预应力束。但由于斜拉桥的横梁的受力情况比较复杂,空间受力效应明显,且斜拉桥主梁往往采用挂篮悬浇、移动模架等逐节段进行的施工方法,使相邻施工梁段横梁的预应力效应存在重叠区域,实际横梁内的预应力效应与平面计算的结果存在差异。在实际工程中要想精确计算横梁的内力必须采用按照实际施工流程进行的空间分析方法。鉴于空间分析过程中建模复杂、数据量庞大、不便于修改,不方便为设计人员采用,所以找到斜拉桥主梁施工过程中横梁预应力效应的分布规律非常必要,不仅具有理论意义,而且具有工程实用价值。

近期本人对正在设计的一座斜拉桥的横梁的受力情况作了一定的分析研究,用平面简化分析方法的结果与空间有限元分析的结果进行对比,根据对比结果进行了初步的总结。

2 工程实例

本文的工程背景为一座三跨预应力混凝土斜拉桥,跨径布置为80m+180m+80m,桥面横向布置为3.5 m(非机动车道)+1.5m(索区)+15 m(机动车道)+1.5m(索区)+3.5 m(非机动车道)=25m。桥梁为半漂浮体系,塔墩固结,在桥塔中心处及梁端部均设置滑动支座,允许主梁顺桥向滑动。

2.1 主梁构造尺寸

主梁横断面为双主梁截面,桥面宽25m,两侧悬臂长2.5m,顶板厚度为0.28m,腹板厚度为0.5m,桥梁中心处梁高2.4m。斜拉索布置为双索面,分别锚固于双主梁箱内,桥上标准索距纵桥向为6.5m,横桥向为17m。全桥主梁标准节段为6.5m,每6.5m设置一道横隔板(即横梁),标准横梁宽0.3m,桥塔处横梁宽0.8m,桥梁立面及典型横断面见图1～图3:

2.2 荷载

(1)结构自重

混凝土、普通钢筋和预应力钢筋作为一期恒载。

桥面铺装、防撞护栏、人行道栏杆、装修等为二期恒载。

(2)活载

汽车按照4车道公路Ⅰ级荷载考虑。

人群荷载按3kN/m2计。

(3)其它荷载

非线性温度:按照JTG D60-2004规范考虑。

体系温差: -40℃～+20℃。

收缩、徐变荷载按照JTG D62-2004规范考虑。

2.3 主梁施工方法

除0#块及边跨端部现浇段采用支架现浇外,其余梁段均采用挂篮悬臂浇注的施工方法,每次浇注的标准节段长为6.5m。

3 横梁的平面分析

使用《桥梁博士3.1》桥梁结构计算分析系统建立横梁平面梁单元模型,按阶段分析一期恒载、二期恒载、预应力、温度、收缩徐变、活载的效应。取纵桥向一个节段为一道横梁的计算宽度,斜拉索锚固位置设为竖向支撑,横梁受力模型接近简支梁,主要由横梁跨中下缘拉应力控制设计,本文为了与空间分析模型比较横向预应力对横梁跨中下缘的预压效应,主要给出跨中上、下缘正应力结果,按A类部分预应力构件设计。以下分别计算6.5m长标准节段横梁和塔底横梁。

3.1 6.5m长标准节段横梁计算

在每道横梁腹板下缘配置Φ115-15钢绞线2束,在底板内横向布置直径25mm普通钢筋3根,经计算横梁应力结果见表1(单位:MPa)。

3.2 塔底横梁

在横梁腹板下缘配置Φ15-12钢绞线4束,在底板内横向布置直径25mm普通钢筋8根,经计算横梁应力结果见表2(单位:MPa)。

4 横梁的空间分析

使用三维桥梁结构计算分析系统建立桥梁空间模型,以空间实体单元对桥梁上部结构进行内力分析,按阶段分析一期恒载、二期恒载、预应力、温度、收缩徐变、活载的效应,得到横梁的应力情况。斜拉索锚固位置设为竖向弹性支撑,弹性系数为斜拉索的竖向刚度。由于建立全桥的施工阶段空间模型所包括的数据量庞大,不适于计算和修改、调试。本人根据主梁各部位的横梁受力情况,选取主塔处横梁及两侧各5道横梁,共11道横梁。按照支架浇注0#块(包括1道塔底横梁和两侧各1道标准横梁)、张拉0#块横梁内预应力束、挂篮悬臂浇注1#～4#块、并分别按张拉其横梁内预应力束的施工顺序建立计算模型。由于建立施工阶段空间模型主要是为了与平面分析模型比较横向预应力效应在施工阶段的分布特点,且空间分析结果数据量庞大,以下仅列出各工况下横梁下缘正应力的施工阶段结果用于比较分析。0#～4#块横梁布置见图4～图5。

4.1 按照即浇即拉工艺计算

所谓即浇即拉工艺指0#块浇注并形成强度后即张拉0#块横梁内全部预应力束,挂篮悬臂浇注过程中每浇注一个节段并形成强度后即张拉该节段横梁内全部预应力束,通常在节段施工的桥梁设计中均采用该工艺施工。经计算横梁跨中下缘应力结果见表3(单位:MPa)。

4.2 按照滞后张拉工艺计算

所谓滞后张拉工艺指0#块浇注并形成强度后即张拉0#块塔底横梁内的全部预应力束,待挂篮悬臂浇注1#节段并形成强度后,再张拉0#块两侧横梁内的全部预应力束,待挂篮悬臂浇注2#节段并形成强度后,再张拉1#块横梁内的全部预应力束,以此类推进行后续施工。经计算横梁跨中下缘应力结果见表4(单位:MPa)。

5 计算结果分析总结

根据以上分析结果,可发现空间分析中两种施工工艺的计算结果各自遵循一定的规律,且与平面分析结果存在一定的差异。

按照即浇即拉工艺计算时,发现塔底横梁预应力张拉完毕后,后续各个节段横梁预应力的效应对塔底横梁的应力有较大的影响。距离塔底横梁越近的横梁,其预应力效应对塔底横梁的影响越大,1#块横梁预应力张拉时,塔底横梁跨中下缘压应力增加了1.3MPa。随着节段施工的进行,该效应的影响逐渐减小,待到4#块横梁预应力张拉时,对塔底横梁影响已经很小,跨中下缘压应力仅增加了0.19MPa,可认为基本收敛。其它各道横梁的应力结果与塔底横梁基本一致,均受到临近节段横梁预应力效应的影响,根据本桥的计算结果发现临近节段的影响范围基本与桥梁宽度一致。对于塔底横梁来说,就是其两侧各1倍桥宽范围内的横梁预应力效应对其的影响不能忽略。

塔底横梁及0#横梁由于受到后续施工阶段的应力积累,其最终应力结果远比平面分析结果要大,分别为8.51MPa和10.42MPa,比平面分析结果增大3.6MPa和2.43MPa;1#～3#横梁的应力结果基本与平面分析结果一致;4#横梁由于其后已无横向预应力张拉,其应力结果为5.52MPa,比平面分析结果小2.47MPa。

根据以上结果可知,按照即浇即拉工艺施工时,0#块附近横梁受到预应力效应的影响偏大,而最后节段张拉的横梁受到预应力效应的影响偏小,按平面分析设计横梁时,应留有一定的安全度。

为了改善上述工艺中局部横梁应力分布不均匀的情况,本人按照滞后张拉工艺进行了计算,发现塔底横梁最终应力结果比平面分析结果大1.11MPa,0#横梁最终应力结果比平面分析结果小1.59MPa;1#～3#横梁的应力结果基本与平面分析结果一致;4#横梁最终应力结果比平面分析结果大0.25MPa。根据以上结果可知,按照滞后张拉工艺施工时,横向预应力效应有向后续张拉节段转移的趋势,避免了塔底横梁积累应力过大和末节横梁预应力不足的不利情况,所有横梁的应力结果与平面分析结果差异较小。本人还进行了将每节段内部预应力滞后张拉的计算,所得结果介于上述两种工艺之间。

了解了节段施工桥梁的横梁预应力的分布规律后,实际设计中可根据预应力束布置及施工荷载的实际情况灵活掌握横向预应力的张拉顺序。

6 结语

由于斜拉桥的横梁受力情况复杂多样,与斜拉索索面布置、主梁的支承形式及主梁的纵桥向内力分布等多种情况有关,要找到各种横梁预应力效应的分布规律非常困难,需要以大量的计算分析为基础。本文是通过对具体算例的分析得出的结论,由于计算的算例较少,此结果还需要大量的计算工作去进行补充及修改。

参考文献

[1]范立础.桥梁工程(第二版)[M].人民交通出版社,1996.

[2]叶见曙.结构设计原理[M].人民交通出版社,1996.

应力分析计算篇10

一、设计数据

1、预应力钢筋为：φj15.0（7φj5）高强度低松驰钢绞线；

2、公称截面面积：139.38mm2；

3、标准强度：Rby=1570MPa；

4、张拉控制应力：σk=1177.5MPa；

5、张拉控制力为（每孔道）：987.7KN；

6、张拉程序：0---0.16k---105%σkσk（锚固）；

7、锚具为：XM-6型锚具；

8、孔道长度：1#为15.600m

2#为15.668m

二、张拉设备的选用及校验

1、张拉设备需要的张拉力

为保证张拉工作的安全、准确，选用的张拉设备的张拉力应大于预应力钢材在张拉时的张拉力，图纸规定张拉控制力为987.7KN，张拉时应超张拉1.05σk，所以张拉設备的张拉力不应不小于：

Ny=987.7×1.05=1037.1（KN）

2.张拉设备需要的行程

张拉设备行程应大于预应力钢材的伸长值

估算伸长值公式（cm）

ΔL=L

预应力钢材张拉控制应力：σk=1177.5MPa

预应力钢材的弹性模量：Eg=1.9×105MPa

预应力钢材张拉时的有效长度：L=孔道长度+张拉设备长度×2=1566.8+2×（58+8）=1698.8（cm）

∴ ΔL=L=×1698.8=10.5（cm）

故选用YCD120千斤顶和ZB4/500型电动油泵。

3.压力表读数Pn=（Mpa）

预应力钢材的张拉力：Ny=1037.1×103（N）

YCD120千斤顶张拉缸工作面积：An=290×102（mm2）

所以Pn==35.8（Mpa）

《规范》规定压力表最大量程应力为Pn的2.0-7.5倍，精度不低于1.5级。

另外说明的是YCD200千斤顶也可以选用，但是YCD直径为φ40cm，而图纸1#孔道中心距空心板底只有14cm

40/2=20（cm）>14cm所以在张拉1#孔道时空心板底模妨碍YCD200千斤顶的安装，故选用YCD120千斤顶。

4、YCD120千斤顶技术数据

额定张拉力：1200KN

张拉油压：50MPa

张拉工作缸面积：290cm2

额定行程：18cm

顶楔油压：50MPa

穿心孔径：12.8cm

外径×长度：φ32×58（cm）

相应锚具：XM15-（3-7）

5、ZB4/500型电动油泵主要技术数据

额定压力：50MPa

油箱容量：50L

电动机功率：3KW

外型尺寸：75×50×100（cm）

重量：120Kg

6、张拉设备的校验

《公路桥涵施工技术规范》规定：

张拉机具应与锚具配套使用，应在张拉前进检查和校验。

张拉千斤顶与压力表应配套校验，以确定张拉力与压力表读数之间的关系曲线，应到国家专门的检验机构去校验。张拉机具由专人使用管理，并应经常维护定期校验。一般使用6个月或200次，以及千斤顶在使用过程中出现不正常现象时，应重新校验。

三、预应力钢材和锚具产品质量的检验鉴定

1、预应力钢绞线在使用前应进行力学性能试验，不合格者严禁使用。

《规范》规定：钢绞线最大抗拉强度不得超过其标准强度Rby的80%。

设计钢绞线：Rby=1570（MPa）

那么80%Rby=1570×0.8=1256（MPa）

105σk%=1177.5×1.05=1236.4（Mpa）

即：1.05σk<80%Rby（符合规范要求）

2、锚具、夹片须经部以上级别技术鉴定和产品鉴定，出厂前由供方按规定进行检验，并提供产品质量证明书。

锚具、夹片进场时应分批进行外观检查，当质量证明书不符要求或对质量有疑点时，应按规定进行检验，合格后方能验收使用。

3、锚固能力

试验数字，钢绞线最小破断应力为：1630MPa

那么破断力等于：1630×139.38=227189.4N

锚固能力==1.038> 0.9（符合规范要求）

理论伸长值ΔL的计算（只以2#孔道为例）：

ΔL=

式中：L—预应力钢材的长度（cm）

Eg—预应力钢材的弹性模量（MPa）

Ay—预应力钢材截面面积（mm2）

—预应力钢材平均张拉力（N）

P—预应力钢材张拉力（N）

X—预应力钢材的有效长度（M）

Q—从张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角之和（rad）

K—孔道每米局部偏差对摩擦的影响系数

μ—预应力钢筋与孔道壁的摩擦系数

因为张拉孔道为预埋波纹管，所以：k取0.001，μ取值0.19

X=15.668+0.66×2=16.988（m）

P=Ny=987700×1.05=1037100（N）

所以：

《规范》规定实际伸长值与理论伸长值相差应控制在6%以内。

故：10.8×1.06=11.5（cm）

10.8×0.94=10.2（cm）

即：ΔL应控制在10.2-11.5CM之间，否则应停止张拉查明原因。

六、压力计算

1、理论压力表的读数

公式：Pμ=（MPa）

Pμ-压力表读数

Ny- 预应力钢材的张拉力（N）

Aμ-张拉缸工作面积（mm2）

根据设计文件的已知条件：

张拉控制力：Ny=987.7（KN）

张拉程序：0-0.1σK-105σk%σk（錨固）

YCD120千斤顶张拉缸工作面积：Aμ=290（cm2）

所以：

1.05Pμ=34.06×1.05=35.8（MPa）

0.1Pμ=0.1×34.06=3.406（MPa）

2、张拉时的压力表读数：（即加上千斤顶内部摩阻力）

0.1σk：3.5（MPa）

1.05σk：36.1（MPa）

七、预应力钢材的张拉

1、钢绞线的下料和编束

钢绞线应按设计规定的长度进行下料，如设计无规定数据时就自行计算钢绞线长度。

下料时，切割口的两侧各5CM处先用钢铅丝绑扎，然后再切割。切割后应立即将切割口焊牢，以防松散。

编束应在地坪上进行，使钢绞线平直。每束内各根钢绞线应编号并顺序摆放。每隔1M用20号铅丝编织、合拢捆扎。钢绞线应妥善保存、以防止油污，生锈、弯折。

2、穿入钢绞线

钢绞线在穿束时，将一端扎齐，顺序编号，引线穿过孔道直至两头露出相同长度为止。

3、安装YCD120千斤顶前，应清洗和检查，锚环和夹片不得有油污、铁屑、泥砂等杂物。检查千斤顶和电动油泵是否完好。将钢绞线编号穿入工作锚环，安装上夹片，安装顶压器。将钢绞线穿入千斤顶，锚具进入顶压器槽内，锚具对中，并将张拉油缸伸出2—4CM，再将千斤顶尾部安装工具锚。为了便于松开夹片，工具锚环内壁可涂少量滑油。

所有的夹片都用手锤轻轻敲击，使其夹紧预应力钢材，夹片上露长度一致。

4、张拉预应力钢材

张拉的孔位顺序应按设计规定，如设计无规定，应先张拉受压区、再张拉受拉区，并左右对称。

《规范》规定张拉曲线预应力钢材或长度≥25M直线预应力钢材时，宜从两端同时进行。

张拉：使顶压油缸处于回油状态，向张拉缸供油，张拉至0.1σk即3.5MPa，做出标记以便测量预应力钢材的伸长量。

两端同时、同步匀速供油，油表按5MPa的差值向上升值，直至张拉到36.8MPa，量出伸长值，以核对张拉应力。

持荷五分钟，量出预应力钢材和锚具回缩变形量，《规范》规定钢绞线和锚具回缩变形量为5MM。

顶锚：保持张拉缸油压，向顶压缸供油，升压至50MPa，将工作锚夹片顶入锚孔中。

顶压过程中，注意张拉油路升压情况，一般不超过2MPa，如超过时，应使张拉缸适当降压。

在继续保持顶压缸油压的情况下，使张拉缸缓慢回油，完成油缸回油动作。卸下工具锚、千斤顶、顶压器。

《规范》规定：实际伸长值如超过理论伸长值正负6%时，应停止张拉，查明原因。

每束钢绞线断丝、滑丝，不许超过一根，每个断面断丝之和不超过该断面钢丝总数的1%。