基于MIDAS的貝雷梁加強處理建模技術研究

胡幫義，徐學勇，胡麗珍，劉穎

（1.湖州職業技術學院，浙江 湖州 313000；2.湖州市綠色建筑技術重點實驗室，浙江 湖州 313000）

0 引言

貝雷梁是一種裝配式制式鋼梁結構，具有安裝拆卸方便[1]、標準化程度高、裝配化施工、成本較低的優點，在路橋施工現場得到了廣泛的應用。常用來搭設臨時鋼便橋[2]、搭設橋梁現澆支架[3]、拼裝掛籃[4]及架橋機等，這些結構的安全直接影響橋梁施工的安全。因此，對貝雷梁進行受力分析及安全計算具有重要的意義。

目前主流的計算方法有兩種，一種是簡化成平面結構手算或局部電算[5]，另一種是采用有限元軟件建立三維空間有限元計算模型整體計算[6-7]，從而查看結構的應力或內力[8]，與容許值進行比較。第一種方法具有簡單快捷的特點，但荷載的計算往往難以精確計算。第二種方法可以比較精確模擬結構的受力情況，但是建模較復雜。但不管哪種方法，都會出現結構局部受力較大以及應力超限的情況。在這種情況下，需要對貝雷梁支架進行加強處理[9]。那么如何對加強的桿件進行建模分析以便合理模擬實際受力情況，則是一個值得研究的課題。

本文采用Midas Civil有限元軟件對對某貝雷梁進行了加強處理有限元建模分析，對加強弦桿提出了兩種建模方法，對加強豎桿提出了“以曲代直”的建模方法，可為類似工程的建模分析提供方法參考。

1 單排貝雷梁受力超限假定

1.1 單排貝雷梁受力工況

大河兜橋邊跨現澆段施工支架采用貝雷梁作為主梁，貝雷梁的驗算是保證支架安全的重要因素。初步分析該支架單排貝雷梁受到均布荷載60kN/m，跨度為12m，由4 片貝雷梁拼裝而成。受力形式如圖1所示。

圖1 貝雷梁受力簡圖

1.2 單排貝雷梁受力計算

1.2.1 有限元建模計算

采用Midas Civil 軟件建模計算，建立了貝雷梁的有限元計算模型。貝雷梁桿件均采用梁單元模擬，共建立了節點62 個、梁單元104 個。建立的有限元計算模型如圖2所示。

圖2 貝雷梁MIDAS有限元計算模型

1.2.2 有限元計算結果

通過有限元計算，可以得到貝雷梁的正應力如圖3所示。

圖3 貝雷梁正應圖（正應力，單位：MPa）

由圖3 可知:貝雷梁正應力為515.7MPa＞[σ]=305MPa，故貝雷梁不滿足受力要求，需要進行加強處理。

值得說明的是，貝雷梁材質為16Mn 鋼，對應現在鋼號為Q345 鋼，查《鋼結構設計標準》（GB 50013-2017）[10]可知，容許正應力為305MPa，容許剪應力為175MPa。

為了明確加強處理的方法，需明確上下弦桿和腹桿具體超限的位置和大小。上下弦桿正應力如圖4 所示，腹桿正應力如圖5所示。

圖4 貝雷梁上下弦桿正應圖（正應力，單位：MPa）

圖5 貝雷梁腹桿正應圖（正應力，單位：MPa）

可見貝雷梁弦桿和腹桿應力均有超標，如何對上下弦桿和腹桿進行加強處理并進行有限元合理模擬是一個值得研究的課題。

2 上下弦桿加強處理

2.1 加強處理方法

結合工程實踐經驗，工地現場多采用在弦桿上增設加強弦桿來進行加強處理，加強弦桿材質、截面和弦桿一致，采用螺栓連接固定在弦桿上。下面采用兩種方法來模擬加強弦桿的建模，以便進行對比分析。

2.2 單截面模擬加強弦桿法

加強弦桿固定在原來的弦桿上，兩者協同受力，故可以把兩者看成一根桿件，新桿件的截面為原來弦桿截面的疊加，新截面如圖6所示。

圖6 弦桿新組合截面

2.2.1 有限元計算模型

在Midas Civil軟件中利用截面特性計算器，自定義該組合截面進行建模計算，同理可以建立貝雷梁的有限元計算模型如圖7所示。

圖7 增加加強弦桿后有限元計算模型

2.2.2 有限元計算結果

有限元計算可以得到貝雷梁弦桿的正應力如圖8所示。

圖8 增加加強弦桿后弦桿正應力圖

由圖8 可知，弦桿最大正應力為185.5MPa＜[σ]=305MPa，故增設加強弦桿后貝雷梁能夠滿足受力要求。

2.3 雙截面模擬加強弦桿法

加強弦桿固定在原來的弦桿上，兩者協同受力，可以單獨用梁單元來模擬原來的弦桿和增加的加強弦桿，上下梁單元之間采用剛性連接模擬螺栓連接，該建模方法如圖9所示。

圖9 雙截面模擬加強弦桿方法

2.3.1 有限元計算模型

同理可以建立貝雷梁的有限元計算模型如圖10所示。

圖10 增加加強弦桿后有限元計算模型

2.3.2 有限元計算結果

有限元計算可以得到貝雷梁弦桿的正應力如圖11所示。

圖11 增加加強弦桿后弦桿正應力圖

由圖11 可知，弦桿最大正應力為186.1MPa＜[σ]=305MPa，故增設加強弦桿后貝雷梁能夠滿足受力要求。

根據單截面模擬加強弦桿法得到的弦桿最大正應力185.5MPa，兩種方法所得結果誤差僅0.3%，說明兩種方法均較好地模擬了貝雷梁加強弦桿的受力情況。

3 支點處豎桿加強處理

3.1 加強處理方法

結合工程實踐經驗，工地現場多采用在支點位置增設1～2 根10#槽鋼加強處理的方式。本貝雷梁采用增加2 根10#槽鋼的辦法加強處理。本文提出“以曲代直”的辦法模擬，具體實施方法如圖12 所示。AB 為原結構豎桿，A1KB1和A2KB2為兩根加強豎桿，截面為10#槽鋼，當AA1、AA2、BB1、BB2的長度趨于0時，他們將趨于AB桿實現協同受力。本文取AA1=AA2=BB1=BB2=10cm 進行建模計算。

圖12 加強豎桿以曲代直法建模

3.2 有限元計算模型

同理可以建立增加了加強豎桿的貝雷梁有限元計算模型如圖13所示。

圖13 增加加強豎桿后有限元計算模型

3.3 有限元計算結果

有限元計算可以得到增加了加強豎桿后的貝雷梁腹桿正應力如圖14所示。

圖14 增加加強豎桿后腹桿正應力圖

由圖14 可知，腹桿最大正應力為256.8MPa＜[σ]=305MPa，故增設加強豎桿后貝雷梁能夠滿足受力要求。加強豎桿的正應力如圖15所示。

圖15 加強豎桿的正應力圖

由圖15 可知，加強豎桿最大正應力為148.6MPa＜[σ]=215MPa，故增設的2道加強豎桿采用10#槽鋼能夠滿足受力要求。

4 結語

通過結合貝雷梁加強處理工程實踐經驗和Midas 有限元計算結果，可以得出以下結論：

①針對貝雷梁弦桿承載能力不足增設加強弦桿的情況，提出了“單截面模擬加強弦桿法”和“雙截面模擬加強弦桿法”兩種Midas 建模方法，兩種方法有限元建模計算結果非常一致，誤差僅0.3%，均較好地模擬了貝雷梁加強處理的協同受力情況；

②針對貝雷梁豎桿應力超標的情況，增設了10#槽鋼作為加強弦桿，提出了“以曲代直”的建模方法，較好地模擬了加強豎桿的受力情況；

③本文所述貝雷梁加強處理有限元建模方法可為類似工程的有限元建模提供方法參考。