連續鋼箱梁橋有限元模型的建立及施工階段應力分析

摘 要：根據X大橋實例，運用有限元軟件ANSYS建立西岸水中引橋施工階段相應工況的精細模型和桿系模型，并對本橋梁施工階段進行應力分析。

關鍵詞：有限元模型；連續鋼箱梁橋；應力分析

1 工程簡介

X大橋西岸水中引橋結構形式為等高組合連續箱形梁橋。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，單幅橋寬17m，中央隔離帶0.5m，梁高4m，橋面設置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，曲線內外側腹板斜率分別為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，沿橋梁縱向連續布置。在鋼梁內部設置橫向聯結系，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結系，其余位置均采用析架式。析架式橫向聯結系的標準間距為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工況的精細模型。鋼梁頂板、腹板、加勁肋及橫向聯結系采用she1163單元，網格劃分為四邊形。梁底混凝土采用solid45單元，網格劃分為四面體。網格劃分邊長控制在30cm以內，保證有限元計算結果的準確性。

全橋鋼梁節段類型共18種。在鋼梁處于頂推階段的最大懸臂狀態時，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梁的作用。為了簡化模型，將導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，在曲線內外側頂推設備處，約束豎向平動自由度，沿曲線徑向平動自由度。再在頂推設備組3曲線外側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置隔板式橫向連接，橫向剛度大，故在相應節點位置處約束其切向扭轉自由度和豎向平動自由度來模擬抗扭支座。抗扭支座內外側支反力可根據桿系模型相應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時，在頂推設備處約束梁單元節點豎向平動自由度及切向扭轉自由度，再在頂推設備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完成階段，邊界條件是一樣的。在永久墩位置約束節點豎向平動自由度及切向扭轉自由度，再在pm46位置約束切向平動自由度。

3 施工階段應力分析

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力計算結果。可提取出模型計算的梁單元內力值，運用經典的薄壁桿件結構力學即可求得截面任意位置的應力。這里主要介紹薄壁桿件正應力的計算方法。

對于本文研究的開口槽形截面，依據上述公式，可以得到各種類型鋼梁所對應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。計算結果見表1。

4 結束語

（1）在整個施工過程中，無論鋼梁處于懸臂狀態，還是成為六拷連續梁承受自重荷載，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很準確地計算出結構的支反力和變形。準確地模擬出結構的質量和剛度分配W及扭轉變形和彎曲變形。結構大部分位置的相對誤差可保持在10%以內。（2）相比于精細模型的計算結果，桿系模型在橫向連接位置的鋼梁應力計算值要大一些，其他位置處鋼梁應力計算值接近。也就是說，桿系模型應力計算結果與精細模型應為計算峰值是比較接近的，峰值誤差在10%以內。可應用桿系模型的計算結果來掌握實際結構的應力水平。

參考文獻

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[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用[J].中山大學學報，2008，47（2）：54-57.

[3]王新敏.ANSYS工程結構數值分析[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月畢業于長沙交通學院，道路與橋梁專業，本科，工程師。