曲線鋼結構人行天橋梁單元與板單元建模分析

曹遠

（上海市園林設計研究總院有限公司,上海市 200031）

0 引言

隨著城市交通的不斷發展，大型商業建筑及車站附近的交叉路口不斷增設人行天橋滿足日益增長的人行過街需求。考慮到景觀、橋梁施工及地形影響，近年來越來越多的人行天橋朝著線形優美、梁體“纖柔”的方向發展，鋼結構人行天橋成了必然選擇。

與之對應的是鋼箱梁結構的計算精度問題,對于常規直線鋼箱梁我們通常采用梁單元模擬就滿足精度要求。而線形復雜或曲線半徑較小的鋼箱梁需要通過梁單元與板單元分別建模對比分析,希望得到更加準確的支座反力及局部應力。本文通過對一聯曲線連續鋼箱梁分別采用梁單元和板單元建模計算，比較兩者計算結果，為相關設計計算提供一些參考。

1 工程概況

擬建橋梁位于昆山市柏廬路，柏廬路呈南北走向，北側為鐵路高架，南側與G312相交。擬建橋梁為一座橫跨柏廬路的人行天橋，橋梁西側為汽車南站，東側為世貿蝶湖灣商業廣場。橋梁總長108 m，主橋橋面凈寬3.5 m，標準跨徑組合為（9+31.25+39.75+22+6）m。

2 計算模型

本文運用Midas/Civil有限元軟件對該橋進行建模計算，考慮在相同荷載等級、相同荷載工況下采用梁單元與板單元模型分別計算，分析其計算結果的差異。該鋼箱梁位于R=90 m曲線上，主梁選用Q345鋼材，頂板寬4.0 m，底板寬2.9 m，懸臂長0.55 m，梁高1.6 m。鋼箱梁標準橫斷面如圖1所示。

圖1 鋼箱梁標準橫斷面圖（單位：mm）

2.1 模型簡介

2.1.1 主要計算荷載

該橋結構自重由系統考慮，二期鋪裝8 kN/m，欄桿單側2.5 kN/m，人群荷載按照城市橋梁荷載規范選取。為保證兩種模型的受力狀態基本一致，兩個模型均未考慮整體升降溫、溫度梯度及支座沉降等荷載工況。

2.1.2 梁單元有限元模型

本文梁單元模型采用薄壁箱形截面,截面中縱肋、橫肋及橫隔板等均換算成線荷載加載在主梁上。梁單元模型截面如圖2所示，模型及邊界條件如圖3所示。

2.1.3 板單元有限元模型

本文板單元模型采用薄壁箱形截面,截面中縱肋、橫肋及橫隔板等均換算成線荷載加載在主梁上。梁單元模型截面如圖4所示，模型及邊界條件如圖5所示。

圖2 梁單元模型截面

圖3 梁單元模型及邊界條件

圖4 板單元模型截面

圖5 板單元模型及邊界條件

2.2 計算結果對比分析

2.2.1 支反力結果對比

根據以上梁單元與板單元模型計算結果,對兩種模型的恒載反力和活載反力分別列表對比分析。由表1及表2的結果對比可以看出，板單元相對于梁單元的支反力結果比較接近，對比差值均在5%以內。

2.2.2 單元應力結果對比

根據以上梁單元與板單元模型的計算結果,由表3及表4可以看出，板單元模型邊跨底板應力、中支點頂板應力及中跨底板應力較梁單元計算頂底板應力略小。究其原因應該是本模型梁單元僅考慮箱形截面頂底板及腹板計算截面抗彎慣性矩，而板單元不僅考慮箱形截面，也將橫隔板及縱向加勁肋一同計入整個截面的抗彎慣性矩中，從而截面應力相應減小。兩個模型的應力結果基本一致。

表1 恒載作用(自重+二期)支反力表

表2 活載作用支反力表

表3 恒載作用(自重+二期)應力結果表 MPa

3 結語

通過對該曲線鋼箱梁橋進行梁單元與板單元建模對比分析，可以發現梁單元模型基本滿足工程精度要求，只需適當進行修正即可。同時提出幾點建議如下：

（1）人行天橋自振頻率均要求不小于3 Hz，該人行橋板單元與梁單元模型自振頻率均為3.2 Hz＞3 Hz，滿足規范要求。

（2）支座反力應在標準組合下提取支反力基礎上適當放大1.1～1.2倍，同時考慮到部分組合下支座容易脫空現象，建議盡量少采用板式橡膠支座。

（3）對于曲線半徑在R=90 m附近的鋼箱梁橋，梁單元模型計算后應對橋面板單獨進行計算，建議采用板單元模型進行復核。

[1]吳沖，強士中.現代鋼橋(上冊)[M].北京:人民交通出版社，2006.

[2]董杰.曲線連續鋼箱梁梁單元與板單元模型計算分析[J].城市道橋與防洪，2014(1):59-60.