連續(xù)鋼箱梁橋有限元模型的建立及施工階段應(yīng)力分析

摘 要：根據(jù)X大橋?qū)嵗\用有限元軟件ANSYS建立西岸水中引橋施工階段相應(yīng)工況的精細模型和桿系模型，并對本橋梁施工階段進行應(yīng)力分析。

關(guān)鍵詞：有限元模型；連續(xù)鋼箱梁橋；應(yīng)力分析

1 工程簡介

X大橋西岸水中引橋結(jié)構(gòu)形式為等高組合連續(xù)箱形梁橋。橋梁全長480m，計算跨徑為79.1m+480m+78.1m，雙幅布置，道路平曲線為半徑的圓弧。單箱單室斷面，單幅橋?qū)?7m，中央隔離帶0.5m，梁高4m，橋面設(shè)置2%的橫坡。

鋼梁為開口槽形截面，頂板板厚20mm-65mm，寬1.2m；腹板厚度16mm-35mm，曲線內(nèi)外側(cè)腹板斜率分別為1：2.069和1：2.183；底板板厚14mm-30mm，寬6.6m。根據(jù)板厚以及長度的不同，全橋鋼梁共分18種類型。腹板水平加勁肋采用板式，縱向間斷布置，腹板豎向加勁肋采用T型，僅在支點附近布置；底板縱向加勁肋采用板式，沿橋梁縱向連續(xù)布置。在鋼梁內(nèi)部設(shè)置橫向聯(lián)結(jié)系，全橋包括析架式和隔板式兩種類型，除支點位置采用隔板式橫向聯(lián)結(jié)系，其余位置均采用析架式。析架式橫向聯(lián)結(jié)系的標準間距為4m，由腹板、底板橫向加勁肋、頂板橫梁、型鋼撐桿組成。

2 有限元模型建立

2.1 精細模型

運用有限元軟件ANSYS建立西岸水中引橋施工階段相應(yīng)工況的精細模型。鋼梁頂板、腹板、加勁肋及橫向聯(lián)結(jié)系采用she1163單元，網(wǎng)格劃分為四邊形。梁底混凝土采用solid45單元，網(wǎng)格劃分為四面體。網(wǎng)格劃分邊長控制在30cm以內(nèi)，保證有限元計算結(jié)果的準確性。

全橋鋼梁節(jié)段類型共18種。在鋼梁處于頂推階段的最大懸臂狀態(tài)時，有限元模型為板殼元模型。

就鋼梁而言，同時承受著自重荷載及前段導(dǎo)梁的作用。為了簡化模型，將導(dǎo)梁作為集中荷載施加在鋼梁前端截面上，豎向力F=-1095.4kN、彎矩M=-21688.9kN、扭矩T=-1.75kN}m。模型約束條件為，在曲線內(nèi)外側(cè)頂推設(shè)備處，約束豎向平動自由度，沿曲線徑向平動自由度。再在頂推設(shè)備組3曲線外側(cè)支點處約束沿曲線切向平動自由度。

2.2 桿系模型

運用有限元軟件ANSYS建立西岸水中引橋施工階段相應(yīng)工況的桿系模型。全橋采用beam 189單元，將單元翹曲自由度開關(guān)打開，截面指定為ASEC類，直接輸入梁單元的幾何特性。單元劃分長度為0.7m-3.1m，全橋90%以上的單元長度為1m。由于實橋在支座位置處設(shè)置隔板式橫向連接，橫向剛度大，故在相應(yīng)節(jié)點位置處約束其切向扭轉(zhuǎn)自由度和豎向平動自由度來模擬抗扭支座。抗扭支座內(nèi)外側(cè)支反力可根據(jù)桿系模型相應(yīng)支點處得到的豎向反力、扭矩以及截面扭心位置確定。整個模型建立在截面扭轉(zhuǎn)中心位置處。鋼梁自重和橋面板荷載以均布荷載的形式加載在梁單元上。

在頂推過程處于最大懸臂狀態(tài)時，在頂推設(shè)備處約束梁單元節(jié)點豎向平動自由度及切向扭轉(zhuǎn)自由度，再在頂推設(shè)備3位置約束切向平動自由度。當橋梁處于頂推完成承受自重荷載階段，以及混凝土橋面板鋪設(shè)完成階段，邊界條件是一樣的。在永久墩位置約束節(jié)點豎向平動自由度及切向扭轉(zhuǎn)自由度，再在pm46位置約束切向平動自由度。

3 施工階段應(yīng)力分析

由于所建立的beaml 89單元桿系模型的截面類型是ASEC類，無法直接提取出準確的應(yīng)力計算結(jié)果。可提取出模型計算的梁單元內(nèi)力值，運用經(jīng)典的薄壁桿件結(jié)構(gòu)力學(xué)即可求得截面任意位置的應(yīng)力。這里主要介紹薄壁桿件正應(yīng)力的計算方法。

對于本文研究的開口槽形截面，依據(jù)上述公式，可以得到各種類型鋼梁所對應(yīng)的主零點位置及截面各位置處主扇性坐標值。不考慮縱向加勁肋的影響。如圖1，主零點S0距梁底板中心線距離為t。計算結(jié)果見表1。

4 結(jié)束語

（1）在整個施工過程中，無論鋼梁處于懸臂狀態(tài)，還是成為六拷連續(xù)梁承受自重荷載，或者與梁底混凝±共同承受橋面板荷載，精細模型作為參考，桿系模型也可W很準確地計算出結(jié)構(gòu)的支反力和變形。準確地模擬出結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分配W及扭轉(zhuǎn)變形和彎曲變形。結(jié)構(gòu)大部分位置的相對誤差可保持在10%以內(nèi)。（2）相比于精細模型的計算結(jié)果，桿系模型在橫向連接位置的鋼梁應(yīng)力計算值要大一些，其他位置處鋼梁應(yīng)力計算值接近。也就是說，桿系模型應(yīng)力計算結(jié)果與精細模型應(yīng)為計算峰值是比較接近的，峰值誤差在10%以內(nèi)。可應(yīng)用桿系模型的計算結(jié)果來掌握實際結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平。

參考文獻

[1]胡少偉.組合梁抗扭分析與設(shè)計[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]盧彭真，張俊平.箱梁單元與梁格法在異型橋梁分析中的應(yīng)用[J].中山大學(xué)學(xué)報，2008，47（2）：54-57.

[3]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

作者簡介：吳文輝（1968，01-），男，湖南長沙人，1989年7月畢業(yè)于長沙交通學(xué)院，道路與橋梁專業(yè)，本科，工程師。