钢圈限位装置力学性能有限元分析

我国处在环太平洋地震带和地中海—喜马拉雅地震带之间,是一个地震多发的国家，近几十年来发生了多次强烈地震,面对巨大的伤亡和经济损失,灾后救援成了重中之重。落梁是最为常见的桥梁破坏形式,使救援工作受阻,造成进一步伤亡。因而,防落梁系统的抗震加固成为防震减灾的热点研究内容之一。

防落梁系统由三部分组成：梁搁置长度、限位装置和连梁装置[1],限位装置是其中重要一环。国内外学者对限位装置进行了设计与研究。在国外Saiidi M[2]等人研究了限位装置的截面积和铰间隙的变化对桥梁非线性地震反应的影响。Trochalakis[3]等人通过216种地震动模型对安装限位装置的桥梁抗震性能进行了分析研究。Saiidi M[4]等人提出了三种设计方法：W/2法,caltrans改进法和等效线性静力法。Desroches[5]等人提出了一种基于线性化模型的限位装置设计方法。国内学者也对限位装置进行了大量研究,如王军文[6]等人提出了一种根据线性化模型的限位装置设计方法。朱文正[7]提出了一种限位装置静力设计方法。汪芳芳[8]等人分析了钢棒式限位装置。张华[9]等人提出了在不同伸缩缝位置处相应的缆索限位装置设计方法。韩淼[10]等人对U型65Mn钢板限位装置进行了扭转性能研究。

提出一种钢圈限位装置,它由钢圈、上下两个限位导向轮以及限位护板组成,钢圈限位装置示意如图1所示。此限位装置利用钢圈的弯曲变形以及轴向弹塑性变形能力,起到限位和缓冲作用。上限位导向轮连接桥梁的上部结构,下限位导向轮连接桥梁的下部结构。钢圈、限位导向轮以及限位护板的构造透视图如图2所示。上限位导向轮的上表面与钢圈的上内表面接触,下限位导向轮的下表面与钢圈的下内表面接触,且限位导向轮与钢圈的接触长度与钢圈宽度相同。在安装时先根据钢圈的内径尺寸安装限位导向轮,限位导向轮与梁体、桥墩或桥台通过螺栓连接。然后通过螺栓使限位导向轮与限位护板连接,以防止钢圈掉落。如桥梁的主梁侧面与桥墩侧面不在同一个面内,可通过改变限位导向轮的长度,安装限位装置防止上部结构发生落梁。利用有限元软件ABAQUS对限位装置的力学性能进行了有限元分析,考察了钢圈厚度t对限位装置的承载能力、缓冲性能和限位性能的影响。

在我国经济建设取得重大成就、发展质量和效益不断提升的新形势下，水利事业发展取得了很大进步，逐步进入保障国民经济发展、推动节水供水重大水利工程建设的新时期。党的十九大报告对“贯彻新发展理念，建设现代化经济体系”进行部署，明确提出“质量第一”“质量强国”理念。《中共中央国务院关于开展质量提升行动的指导意见》中提出，要提升建设工程质量水平，推进全面质量管理，加强全面质量监管[1]。水利工程质量监督工作面临前所未有的机遇和挑战。长江流域水利工程质量监督工作致力于不断优化质量监督工作体制机制，强化质量监督管理，创新质量监督工作方式，深入探索和研究长江流域水利工程建设质量监督工作未来的发展方向。

首先，要从上到下形成一套林业技术推广机构，各层次相互联系，为造林技术推广提供更好的支持。加快与林农密切相关的乡镇林业技术推广体系建设。例如，在一些交通不便的地方，应建立相应的造林技术推广，以提高整个林业技术推广系统的覆盖率。其次，明确造林技术推广的相关职责，实施针对个人的具体工作。最后，有关财政部门应加强对造林技术推广的支持力度，加大科研投入，积极建立试验区。

图1 限位装置安装示意图及其构造图

图2 限位装置各构件示意图

1 有限元模型

1.1 钢圈限位装置概述

有限元模型的边界条件为下限位导向轮约束X、Y向位移和Z向转角,上限位导向轮约束了Y向位移和Z向转角。加载制度为：在上导向轮X向施加单调递增荷载,加载方式采用位移控制。

为探明参数t(厚度)对限位装置缓冲性能的影响,改变厚度t使其分别为10mm、12mm、14mm、16mm、18mm、20mm、22mm、25mm、28mm、32mm,通过有限元软件计算得到力-位移曲线,然后对力-位移曲线进行无量纲化如图6所示。缓冲阶段处于弯曲变形阶段和拉伸阶段力-位移曲线延伸线交点附近,这段曲线和缓和曲线相似,所以在此阶段有缓冲能力。由图6可知随着t的增加其达到极限承载力之前的刚度变化幅度减小,即其缓冲性能增强。

图3 二维模型加载制度及边界条件示意图

1.2 本构关系和网格划分

有限元模型的钢圈屈服应力σy为330MPa,弹性模量E为206GPa,泊松比v为0.3。本构模型采用非线性等方向强化模型。为保证分析结果的精准性,将每个单元的边长设为2mm。

1.3 边界条件及加载制度

利用有限元软件ABAQUS建立钢圈限位装置有限元模型,并进行了弹塑性力学性能分析。钢圈简化为CPS4R二维单元而限位导向轮简化为圆形刚体。有限元模型如图3所示,几何尺寸见表1。其中参数：t为钢圈厚度；D为限位导向轮直径；R为钢圈半径。屈服承载力Fy根据公式Fy=2σy×t×W求得。其中σy为屈服应力；W为钢圈宽度。屈服位移δy则是通过限位装置的力-位移曲线得到的屈服承载力对应位移。限位导向轮和钢圈的接触包括：法向的硬接触与切向的摩擦接触(摩擦系数为0.3)。

表1 限位装置的尺寸参数

模型编号钢圈厚度t(mm)钢圈弧度半径R(mm)限位导向轮直径D(mm)钢圈宽度W为10mm时的屈服承载力Fy(kN)屈服位移 δy(mm)极限承载力Fu(kN)极限位移 δu(mm)1101004066.00193.9480.03210.602121004079.20193.5096.08210.153141004092.40192.62111.69208.2341610040105.60191.94127.27207.0051810040118.80191.67143.17206.7862010040132.00191.22158.82205.8872210040145.20191.00174.47205.6582510040165.00190.36198.05205.6592810040184.80189.59221.54206.78103210040211.20188.49252.90208.35

2 限位装置力学性能的影响分析

2.1 限位装置的应力分布和变形

由图4可知,弯曲变形阶段力-位移曲线近似为一条直线,此阶段受力状态以受弯为主,刚度由抗弯刚度控制,刚度几乎不变,定义为初期刚度K1；缓冲阶段刚度逐渐增加,此阶段为受弯刚度变为受拉刚度的过渡阶段；拉伸阶段力-位移曲线也近似为一条直线,受力状态以受拉为主,刚度由抗拉刚度控制,刚度几乎不变,定义为二期刚度K2(K2>K1)；材料塑性强化阶段刚度逐渐变小且承载力增加速度变缓；延性断裂阶段承载力迅速减小直至断裂。

为更好了解限位装置的受力性能,以模型1(t=10mm)在单调加载时的力-位移曲线为例(见图4),在力-位移曲线上定义6个特征点将其分为5个阶段,即：零点到A点(δ=129.83mm,δ/δy=0.67)为弯曲变形阶段,A点到B点(δ=182.03mm,δ/δy=0.94)为缓冲阶段,B点到C点(δ=193.94mm即屈服位移,δ/δy=1)为拉伸阶段,C点到D点(δ=216.0mm即极限位移,δ/δy=1.11)为材料塑性强化阶段,D点到E点(δ=225.00mm,δ/δy=1.16)为延性断裂阶段。

(1)钢圈和限位导向轮接触区域(区域Ⅰ)及其附近区域(区域Ⅱ)一直为高应力分布区,并最终在接触处附近区域(区域Ⅱ)处断裂破坏。

图4 限位装置的力-位移曲线(t=10mm)

图5 限位装置应力分布和变形图(t=10mm)

2.2 厚度t对限位装置缓冲性能的影响

第三种情况是以“合法权益”代替正当利益。《私募投资基金监督管理暂行办法》《网络借贷信息中介机构业务活动管理暂行办法》都把保护融资主体“合法权益”作为目标，但“合法权益”与正当利益不是一个概念。正当利益是只要不违背法律禁止性规定即可拥有的利益，而合法权益必须得到法律确认，前者范围远大于后者。我国民间融资立法缺失，“法”的形式多为监管者制定的政策法规，正当利益实际变为政府认可才能拥有的利益。正因为正当利益不是协调双方行为动机的均衡点，监管者的保护职责异化，融资者正当利益成为监管者任意取舍的对象，导致双方行为动机非理性现象。

图6 弹塑性分析结果(t=10～32mm)

2.3 厚度t对限位装置承载力的影响

为探明参数t(厚度)对限位装置限位性能的影响,对10个模型进行分析,计算得到屈服位移与极限位移,如图8所示。由图8可知钢圈的厚度t对其屈服位移和极限位移影响不大。

图7 屈服承载力和极限承载力

2.4 厚度t对限位装置限位性能的影响

为探明参数t(厚度)对限位装置承载力的影响,通过有限元软件计算得到十个模型的力-位移曲线,然后对其进行整理得到屈服承载力和极限承载力如图7所示。由图7可知限位装置的屈服承载力和极限承载力随钢圈厚度t增加成线性增长。

图8 屈服位移和极限位移

3 结论

对10个钢圈厚度t不同的限位装置进行了有限元模拟,研究其缓冲性能、极限承载力和限位性能,得到结论如下：

A-E各特征点对应的应力分布及变形情况如图5所示。定义钢圈和限位导向轮接触处与其对应的钢圈外侧部分为区域Ⅰ；其接触处附近部分为区域Ⅱ；两个限位导向轮之间钢圈部分为区域Ⅲ,如图5(a)所示。由图5(a)可知,区域Ⅰ、区域Ⅲ在弯曲变形阶段弯曲变形较大。区域Ⅰ由半径为R的弧段变为半径为(D+d)/2的弧段,所以区域Ⅰ的内外边缘应力很大。区域Ⅲ由半径为R的弧段近似变为直线段,区域Ⅲ内外边缘应力也很大但略小于区域Ⅰ的内外边缘应力。区域Ⅱ弯曲变形不大所以该区域应力较小。由图5(a)与图5(b)对比可知,在缓冲阶段区域Ⅰ、Ⅲ变形和应力变化不大,而区域Ⅱ弯曲变形较大,并且应力较比前一阶段有显著增长。由于区域Ⅱ逐渐被拉直所以此阶段的刚度逐渐增大。由图5(b)与(c)对比可知,在拉伸阶段区域Ⅰ虽然无明显变形但其应力有明显增大。区域Ⅱ完全被拉直,且此区域的应力大幅增大。区域Ⅲ变形与应力变化均不大。此阶段区域Ⅱ、Ⅲ犹如两根钢棒,提供较大的抗拉刚度K2。由图5(c)与(d)对比可知,在材料塑性强化阶段区域Ⅰ无明显变形,但区域Ⅰ大部分区域的应力变小。区域Ⅱ、Ⅲ均被拉长,应力均增大且区域Ⅱ成为应力最大处。由图5(c)和(d)对比可知,在延性断裂阶段区域Ⅱ开始发生颈缩并最终在此处断裂。

(2)限位装置随着钢圈厚度t的增加其缓冲性能随之增强。

(3)限位装置随着钢圈厚度t的增加其极限承载力呈线性增长。

1.4 SNPs位点的选择 通过查询NCBI db SNP数据库以及phaseⅡHapma数据库并对数据库中ATG5基因相关多态性位点进行筛选，结合多态性位点所处的功能结构区域、多态性位点在我国人群中的最小等位基因频率(MAF>0.1)以及国内外学者对该基因多态性位点的功能性研究结论等影响因子，依照本研究的目的和所预期的试验效果，选取ATG5基因中rs573775、rs510432、rs6568431、rs2299863 以及 rs38043385这个多态性位点。

(4)限位装置的限位性能与钢圈厚度t关系不大。

第一，分析哲学将主客体二元对立绝对化固然错误，但雷可夫和约翰逊的体验哲学反对任何超验的东西，用绝对的一元主义经验论代替绝对的二元论，这似乎与分析哲学一样，犯了绝对化的错误。如果只有体验的现实才是真，那么现时状态可能是固定不变的，可以用客观的术语来界定。然而，我们完全有理由认为现时状态是多重现实构成的多重系统。并且如果体验理性思维植根于实在现实，又如何解释早已存在的现实的起源与定义。如果承认身体内存在不确定的现实，就不能认为现实全是体验的。另外，将真值的对应论批判为错误的，是否完全令人信服，也值得讨论。

参考文献

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