曲線鋼-混凝土組合箱梁橋力學(xué)性能研究

周游

【摘要：】曲線鋼-混凝土組合箱梁橋充分利用了鋼梁橋和混凝土梁橋等橋型的優(yōu)點(diǎn)，能適應(yīng)復(fù)雜地表結(jié)構(gòu)，可解決城市交通堵塞、空間利用不足等問題。文章采用組合箱梁橋有限元分析模型，在保持跨高比不變的條件下，建立組合箱梁橋三維有限元分析模型，研究在不同組合工況下跨度和曲率半徑對(duì)組合箱梁橋反力、彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力和跨中撓度的影響，使之更好適用于工程應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞：】曲線鋼-混凝土組合箱梁橋;有限元分析;反力;彎曲反力;剪應(yīng)力;力學(xué)性能

U448.21+3A461533

0 引言

曲線鋼-混凝土組合箱梁橋由于具有自重輕、穩(wěn)定性好、施工經(jīng)濟(jì)、美觀等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于公路立交橋和現(xiàn)代輕軌高架結(jié)構(gòu)中。組合箱梁橋的梁體由鋼梁和混凝土板組成，由于其抗扭剛度較高，使箱梁橋能夠有效抵抗彎曲薄壁梁的扭轉(zhuǎn)變形，可應(yīng)用于曲線橋梁體系中[1-3]。組合箱梁橋的橋面板多為現(xiàn)澆構(gòu)件，可根據(jù)設(shè)計(jì)需要的線形進(jìn)行施工，因此組合箱梁橋的幾何形狀和結(jié)構(gòu)形式多變，各種形狀的直橋、斜橋和曲線橋在公路橋梁體系中十分常見[4]。

由于組合箱梁橋在縱向和橫向上具有扭轉(zhuǎn)、變形和彎曲的三維特性，其分析和設(shè)計(jì)比較復(fù)雜[5-6]。為充分了解曲線組合箱梁橋的結(jié)構(gòu)特性和受力情況，本文對(duì)曲線組合箱梁橋進(jìn)行有限元分析。

1 曲線組合箱梁平面結(jié)構(gòu)分析

1.1 橋梁基本結(jié)構(gòu)

本次研究的曲線組合箱梁橋總寬為8 500 mm，箱梁寬4 500 mm，邊跨寬為2 000 mm，分布如圖1所示。組合箱梁的上部結(jié)構(gòu)為變高截面的單室矩形箱梁，箱梁頂板和底板的寬度分別為12 m和4 m，底板的厚度為32 cm。單室矩形箱梁寬7.5 m，橋面總寬8.5 m。上承板中部厚度為240 mm，腹板厚度為300 mm，端部厚度為200 mm。拱腹板和腹板的厚度均為240 mm。總跨長(zhǎng)分別為20 m、30 m、40 m，曲率半徑分別為75 m、90 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m。跨高比都采用16時(shí)，不同跨度所對(duì)應(yīng)的高度如表1所示。

如表2所示給出了本次研究的曲線組合箱梁橋相關(guān)材料的性能參數(shù)。

1.2 荷載

典型箱梁橋上部結(jié)構(gòu)所考慮的荷載主要包括三類荷載：（1）恒載（DL），結(jié)構(gòu)自重作為恒載施加在結(jié)構(gòu)上;（2）附加荷載（SIDL），假定磨耗層厚度80 mm，單位重量22 kN/m 施加在結(jié)構(gòu)上的附加荷載為1 760 N/m2;（3）活載（LL），按《橋梁設(shè)計(jì)荷載規(guī)范》考慮，活荷載的影響系數(shù)如表3所示。

本次研究在有限元分析時(shí)對(duì)典型箱梁橋的加載采用兩種工況：（1）恒荷載+附加荷載（DL+SIDL）;（2）恒荷載+活荷載+附加荷載（DL+SIDL+LL）。

2 曲線組合箱梁橋的有限元分析

2.1 模擬方法

本文采用改變跨徑和曲率半徑的參數(shù)化研究方法，通過有限元模型，對(duì)曲線組合箱梁橋的反作用力、彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力和跨中撓度進(jìn)行分析，以便利用有限元軟件更好地了解曲線組合箱梁橋的受力情況和變形能力。

有限元研究主要包括兩部分內(nèi)容：（1）利用有限元計(jì)算程序“ABAQUS”對(duì)曲線組合箱梁橋由于曲率半徑和跨度改變引起的反作用力、彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力和跨中撓度的變化進(jìn)行分析;（2）根據(jù)曲線組合箱梁橋在不同跨度處的撓度分布，找出最合適的曲率半徑。

2.2 組合箱梁橋三維模型有限元分析

ABAQUS是一個(gè)高度復(fù)雜的通用有限元程序，主要用于模擬固體和結(jié)構(gòu)在外荷載作用下的力學(xué)行為。本次研究分析了平面上水平彎曲的部分組合箱梁橋，梁為單室箱梁，截面為矩形，橋面板采用混凝土箱梁整體施工。根據(jù)城市橋梁設(shè)計(jì)荷載規(guī)范，組合箱梁橋在設(shè)計(jì)時(shí)固定端力的作用范圍是桿從固定端開始的兩個(gè)橫向尺寸。本文根據(jù)平面單元模型所采用的實(shí)際幾何尺寸和材料參數(shù)建立有限元分析模型，考慮恒荷載和預(yù)應(yīng)力的影響，模擬組合箱梁橋在實(shí)際工程中的應(yīng)力情況。使用ABAQUS創(chuàng)建的模型如圖2～4所示。

3 結(jié)果分析

本文對(duì)跨度為20～40 m、曲率半徑為75 m、90 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m的組合箱梁橋的受力情況進(jìn)行有限元分析。通過對(duì)有限元分析結(jié)果的整合，比較了在不同跨度和曲率半徑下以及兩種荷載工況下（DL+SIDL;DL+SIDL+LL），組合箱梁橋的反作用力、彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力和跨中撓度的變化情況，如圖5～8所示。

兩種組合工況下，組合箱梁橋的反作用力變化趨勢(shì)基本一致，但在恒荷載、活荷載和附加荷載組合作用下的反作用力明顯高于恒荷載和附加荷載的組合作用。由圖5可知，曲率半徑從75 m到150 m時(shí)，對(duì)于跨度為20 m和跨度為30 m的組合箱梁橋，反作用力隨曲率半徑的增大而減小，隨跨度的減小而減小;曲率半徑從150 m到300 m，曲線坡度平緩，反作用力基本保持不變。對(duì)跨度為40 m的組合箱梁，曲率半徑在75 m到300 m的范圍內(nèi)反作用力變化幅度較小，說明對(duì)于跨度為40 m的組合箱梁橋，曲率半徑幾乎對(duì)組合箱梁橋的反作用力不產(chǎn)生影響。

由圖6、圖7可知，隨組合工況的增加，組合箱梁橋的彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力增大。對(duì)跨度為20 m和30 m的組合箱梁橋，彎曲應(yīng)力與曲率半徑成反比例關(guān)系，與跨度成正比例關(guān)系。隨著跨度的增加，曲線斜率增大，當(dāng)組合箱橋曲率半徑最大時(shí)對(duì)應(yīng)最小的彎曲應(yīng)力。而對(duì)跨度為40 m的組合箱梁橋，彎曲應(yīng)力幾乎不受曲率半徑的影響。從圖7中可以看出，曲率半徑在75～150 m的范圍內(nèi)，剪切應(yīng)力隨著曲率半徑的增加而減小并隨跨度的減小而減小;曲率半徑>150 m后，隨曲率半徑的增加，剪切應(yīng)力的幾乎保持不變。

由圖8可知，對(duì)于跨度為40 m的組合箱梁，曲率半徑在75～200 m的范圍內(nèi)，跨中撓度隨曲率半徑的增大而減小，曲率半徑為200 m時(shí)跨中撓度最小。但對(duì)于跨度為30 m和20 m的組合箱梁，其最小撓度值分別出現(xiàn)在曲率半徑為150 m和100 m時(shí)。隨組合工況的增加，附加荷載對(duì)組合箱梁橋的曲率半徑無明顯影響。

4 結(jié)語

本文采用組合箱梁橋有限元分析模型，在保持組合箱梁橋跨高比不變的情況下，改變跨度和曲率半徑，建立單室矩形組合箱梁橋的三維有限元分析模型，研究跨度和曲率半徑對(duì)組合箱梁橋反力、彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力和跨中撓度的影響。主要結(jié)論如下：

（1）對(duì)跨度為20 m和30 m的組合箱梁橋，反作用力與曲率半徑成反比例關(guān)系，與跨度成正比例關(guān)系，通過增大曲率半徑可獲得最小反作用力。

（2）對(duì)于跨度為40 m的組合箱梁橋，在曲率半徑等于200 m時(shí)跨中撓度最小，但是對(duì)于跨度為30 m和20 m的組合箱梁橋則分別在曲率半徑為150 m和100 m時(shí)出現(xiàn)最小撓度值。

（3）對(duì)跨度為20 m和30 m的組合箱梁橋，彎曲應(yīng)力隨曲率半徑的增大而減小。對(duì)于跨度為40 m的組合箱梁橋，曲率半徑發(fā)生變化時(shí)，彎曲應(yīng)力基本保持不變。當(dāng)跨度增大時(shí)，建議曲率半徑選取200 m以下，以確保獲得最大抗彎強(qiáng)度。

（4）曲率半徑減小會(huì)使對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力增加，同時(shí)剪應(yīng)力也隨跨度的增加而增大。對(duì)不同跨度的組合箱梁橋，當(dāng)曲率半徑在150 m以上時(shí)，剪切應(yīng)力分布均勻，不同曲率半徑處基本保持不變。

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