鋼桁架混凝土組合梁橋的力學數值模擬

王麗君

（南京航空航天大學金城學院，江蘇 南京 211156）

0 引言

桁架是工程結構中受力最合理的形式之一，桁架梁橋一般多見于高速公路與鐵路。早期出現的桁架為木結構，由于不防腐、易受潮，修繕較為復雜，逐漸被淘汰，因而多改為鋼桁架。傳統的純鋼桁架方案，橋面板只作為一種外加荷載對主體結構產生影響，這種設計忽略了橋面板作為結構的受力構件和鋼桁架結合在一起共同受力，結構用鋼量較大，整體剛度和空間穩定性也不夠理想，并且橋面需要采用相對昂貴的環氧瀝青鋪裝，造價偏高。為了使傳統鋼桁架橋在結構體系上更趨合理，經濟性能更具競爭力，可以通過剪力連接將混凝土橋面板和鋼桁架上弦桿組合在一起共同受力，形成鋼-混凝土組合桁梁橋[1]。

有限元軟件模擬是鋼桁架-混凝土組合結構空間分析的常用方法，較著名的有ANSYS、ABAQUS等。ABAQUS是一套功能強大的基于有限元法的工程模擬軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到最富挑戰性的非線性模擬問題[2]。本文采用有限元軟件ABAQUS6.10分別建立鋼桁架混凝土組合梁橋和純鋼桁架梁橋模型，為進行組合橋梁力學性能分析建模提供參考。

1 計算模擬方法及模型的建立

中鐵大橋局橋梁科學研究院的譚瑩和田啟賢[3]以蕪湖長江大橋為基礎，節選其中一段建立模型進行分析研究。在該分析中，將桁架桿件劃分為梁單元，將橋面板離散為板殼單元和塊體元。西南交通大學的何畏和強士中[4]選取蕪湖長江大橋的三跨連續鋼桁架-混凝土組合梁進行模擬分析，在該分析中，用空間梁單元來模擬鋼桁架的各個構件和公路橋面的縱、橫梁體系等。

本文研究對象為天津濱海新區西外環海河特大橋主橋（95+140+95）m,為上承式鋼桁架-混凝土組合梁橋。上桁架、下桁架為箱型截面，上桁架為等高度箱型截面，下桁架為變高度箱型截面，截面普通段采用20mm的鋼板，下弦桿在中墩局部區域采用30mm的鋼板。

模型實驗共分兩種情況：第一，純鋼桁架結構，在結構自重+活載（汽車荷載）下位移和應力結果分析；第二，鋼桁架混凝土組合結構，在結構自重+活載（汽車荷載）下位移和應力結果分析。對結構自重（包括結構附加重力），可按結構構件的設計尺寸與材料的重力密度計算確定。橋梁結構的整體計算采用車道荷載，車道荷載由均布荷載和集中荷載組成。

模型選取橋梁一半結構作為研究對象，結構簡化為二次超靜定兩跨連續梁，為有多于約束的幾何不變體系。如果荷載移動到某個位置，使某量Z達到最大值，則此荷載位置稱為最不利位置。影響線的一個重要作用，就是用來確定荷載的最不利位置。

車道荷載的均布荷載標準值應滿布于使結構產生最不利效應的同號影響線上；集中荷載標準值只作用于相應影響線中一個最大影響線峰值處。

組合桁架為有豎桿三角桁架形式，半結構桁架共分14 個節點，節點間距及腹桿高度見圖3；兩片主桁之間相距3.56m。上下弦桿均采用矩形截面，截面尺寸850mm×900mm;豎桿、橫聯及斜桿均采用矩形截面，截面尺寸400mm×800mm。鋼箱壁厚分30mm、20mm兩種，斜桿和豎桿上端通過節點板與上弦桿螺栓連接，下端通過節點板與下弦桿螺栓連接。

模型中分別采用B32梁單元和S8R5殼單元。一般地，當結構的長度方向尺寸遠大于其他兩個方向的尺寸，且只有長度方向的應力比較顯著的情況下，用梁單元來模擬，在ABAQUS中，B32表示二次插值三維梁單元，三維梁單元每個節點有6個自由度，即3個平動自由度和3個轉動自由度。所有梁單元必須定義橫截面形狀，還有橫截面方向，由于梁單元的抗彎和抗剪性能主要取決于其橫截面特性（慣性軸、慣性矩、慣性積、面積矩等），因此只有定義了梁截面方位，ABAQUS才能夠確定各種橫截面特性。梁橫截面方位通過3個局部坐標軸定義，分別是t軸、n1軸、n2軸，n1方向與t方向大致是垂直的。

S8R5屬于小應變三維薄殼單元，每一個節點只有5個自由度，即3個平動自由度和面內2個轉動自由度。所有的殼單元也必須定義橫截面特性，包括殼單元的材料性質和厚度，有時還需要定義局部材料方向。

模型初期，根據ABAQUS有限元軟件分析問題的步驟，計算相關參數，確定模型參數，隨后建立模型，輸入模型材料特性，如彈性模量、泊松比、剪切模量、密度等。

2 模型尺寸、材料、邊界條件

個部件，混凝土面板作為一個部件，生成一個三維變形的平面線框部件，根據單元尺寸繪制出單個桁架，由于兩個桁架的對稱性，將這個桁架投影到基準面上生成另一個桁架，從而得到整體桁架，再將桁架與混凝土面板進行拼裝生成一個完整的裝配件。

除了初始分析步之外，另建了兩個分析步，分別用來進行汽車載荷和重力載荷的加載。邊界條件情況：固定端兩個支座節點及桁架底部58個節點分別約束X、Y、Z和X、Y方向平動自由度，自由端兩個支座節點分別約束Y、Z和Y方向平動自由度。網格劃分情況：鋼桁架采用三維、細長的二次兩單元（B32）模擬，對所有區域指定整體剖分數（seed)為5.0；混凝土面板采用8節點四邊形薄殼，二次縮減積分，每個節點有5個自由度（S8R5），對所有區域指定整體剖分數（seed)為8.0。

純鋼桁架梁橋的模型與鋼桁架混凝土組合梁橋的模型建立基本一致，只是在原有基礎上將混凝土面板換成鋼板，因此須重新定義面板的材料屬性。

3 結論

本模型包含124個節點（焊接點），365個梁單元，1個板殼單元，將兩個桁架結構作為一個部件，內部支撐作為一

本文在基本模型的基礎上，不斷嘗試改變各個參數、接觸類型以及約束方式，最終建立鋼桁架混凝土組合梁橋模型和純鋼桁架模型。通過后處理得到了兩者的Mises應力及空間位移云圖和X-Y曲線圖，為后期進行力學性能分析提供數據基礎。