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仿树皮护栏结构的设计方法

2020-05-23

  有研制人员对仿树皮护栏结构在分布荷载和集中荷载作用下的情况进行了研究,结果表明在规范规定荷载作用下,栏杆构件一般在弹性范围内工作,所以栏杆结构一般可以采用弹性设计。我国规范没有对栏杆的集中荷载进行规定,外国规范中规定的集中荷载较小在构件中产生的内力也较小,所以在设计的时候可以先按照均布荷载进行设计,然后再对集中荷载作用的情况进行验算。

  在均布荷载作用下栏杆扶手和立柱的内力均较小,而栏杆立柱顶部的侧向位移却比较大,较大的达到仿树皮护栏高度的1/84,高过了悬臂结构的侧移限值。所以在设计中控制指标可取立柱顶部的侧向位移;同时忽略竖向荷载的二阶效应影响,于是得到立柱顶部侧向位移的弹性解为:

  式中:P为均布水平荷载按规范取值为2.5kN/m,E/和GA分别为立柱的截面抗弯刚度和抗剪刚度;K为切应变的截面形状系数;通过改变跨度和高度h就可以求得立柱顶部侧向位移A的理论值。按照式(13)计算得到的立柱顶部侧向位移的理论值与采用单元模型进行数值模拟得到的计算值的比较结果,其中相对误差=(计算值-理论值)/理论值;相对误差均小于1%说明上述式(13)的弹性解和有限元模拟是一致的。

  按照侧移限值选定跨度和高度h的取值之后应对FRP仿树皮护栏构件的承载力进行校核。校核内容包括立柱底部弯矩和剪力以及扶手跨中弯矩和固定端弯矩。因为设计中侧向位移ム限值一般较小,荷载p、q的值也较小所以在进行内力分析的时候可以不考虑P-A效应和其他耦合作用的影响;各内力值计算如下:


  式中:M、V分别为立柱底端的弯矩和剪力;M、和M,分别为扶手跨中绕y轴和z轴的正弯矩,M和M,分别为扶手在与立柱节点处绕y轴和x轴的负弯矩。

  综上得出以下结论:

  1、通过理论分析和参考相关规范,建议栏杆结构的变形限值取为栏杆高度的1/100。

  2、对于均布荷载作用下的栏杆结构,提出了用于模拟整个栏杆结构的简化单元模型,并且验证了该单元模型具有良好的精度,可以采用单元模型对整个栏杆结构进行分析。

  3、对于横向集中荷载作用下的仿树皮护栏结构进行了分析,针对边立柱和内部立柱分别给出了底端弯矩的简化计算公式

  4、基于上述研究建议了考虑均布荷载、集中荷载分别作用以及有变形限值要求的栏杆结构的简化设计方法。通过算例表明该方法实用且与有限元分析的结果吻合良好。

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