變截面鋼箱梁人行天橋的有限元分析

寧鵬剛

1 概述

為了解決行人過街、人車分流問題以及方便建筑物之間的聯(lián)系，人行天橋在城市交通中的作用日顯重要。隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展進步，人們對城市建設(shè)的審美要求日漸提高，人行天橋的設(shè)計理念也發(fā)生了很大的變化。設(shè)計人員開始注重結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計，崇尚以人為本，加強天橋與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)一致，在設(shè)計中融合體現(xiàn)高技術(shù)與新結(jié)構(gòu)的形式美，使天橋成為塑造城市景觀的重要元素。同時科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)，修建形態(tài)優(yōu)美的人行天橋難度日漸減小，但與常規(guī)的橋梁結(jié)構(gòu)體系相比，體型優(yōu)美的人行天橋結(jié)構(gòu)受力相對復(fù)雜，必須通過細(xì)致的有限元模擬和分析才能準(zhǔn)確確定其受力狀況和承載能力。

本文采用殼單元對某變截面鋼箱梁人行天橋進行了詳細(xì)的空間有限元模擬，詳細(xì)分析了該橋主梁在人群荷載、電梯荷載、欄桿及扶手水平線荷載以及重力等各種荷載組合作用下的受力狀況。

2 設(shè)計依據(jù)

2.1 基本設(shè)計資料

人行天橋上部結(jié)構(gòu)采用變截面鋼箱梁，梁高800mm，箱梁全寬為4 m，全長22.870 m。箱梁設(shè)置預(yù)拱度3cm。鋼箱梁一端與主梁橋墩頂鋼板焊接，另一端簡支在車站牛腿上，支座采用GJZ250mm×300mm×47mm板式橡膠支座，環(huán)氧樹脂與牛腿頂面相貼。橋面和梯道貼防滑地磚;所有鋼構(gòu)件做防銹漆兩度，外露部分做防腐涂料。

2.2 基本假定

1)材料在荷載作用下處于小變形和線彈性階段;2)各種荷載對結(jié)構(gòu)的作用符合線形疊加原理的條件。

2.3 設(shè)計規(guī)范

設(shè)計規(guī)范包括:《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》。

2.4 荷載組合

圖1 幾何模型剖視圖

圖2 邊界條件示意圖

1.35 D+0.98L，1.2D+1.4L，1.2D+1.4W，1.2D+1.4L+0.84W，1.2D+0.98L+1.4W。

其中，D為恒載;L為活載;W為風(fēng)載。

3 有限元分析

3.1 幾何模型

本鋼結(jié)構(gòu)橋有限元分析的幾何建模是通過ABAQUS6.3建立，結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分、邊界條件、荷載施加及結(jié)果處理都是通過ABAQUS6.3來完成的。鋼結(jié)構(gòu)橋的幾何模型根據(jù)設(shè)計方提供的詳細(xì)資料建立，如圖1所示。

3.2 單元選用

本鋼橋結(jié)構(gòu)為箱形截面，板厚與板的尺寸相比很小，故有限元分析采用殼單元，具體為ABAQUS6.8內(nèi)部的S4R單元。S4R單元為4節(jié)點有限應(yīng)變單元，每個節(jié)點有6個自由度，包括3個平動自由度和3個轉(zhuǎn)動自由度。

3.3 材料參數(shù)

根據(jù)設(shè)計方提供的資料，本結(jié)構(gòu)采用的材料為Q345鋼材，鋼材的彈性模量為2.06×105MPa，質(zhì)量密度為7850 kg/m3，泊松比為 0.3。

3.4 邊界條件及荷載施加

3.4.1 邊界條件

本鋼橋的鋼箱梁一端與橋墩頂鋼板焊接，另一端簡支在車站牛腿上，支座采用GJZ250mm×300mm×47mm板式橡膠支座，所以為一端固定一端簡支。在ABAQUS6.8中模型的邊界條件為與橋墩頂鋼板焊接部分為固定約束，簡支在牛腿上的部分為簡支，即約束支座的中軸線，如圖2，圖3所示。

圖3 固定約束

圖4 橋面恒荷載

3.4.2 荷載施加

結(jié)構(gòu)的恒載分為結(jié)構(gòu)的自重和橋面恒荷載(砂漿、地磚、欄桿、雨棚、扶梯對橋面荷載)。鋼結(jié)構(gòu)自重是通過施加重力加速度來實現(xiàn)的，砂漿地磚荷載通過施加面荷載實現(xiàn)，如圖4所示;欄桿荷載為線荷載，在ABAQUS6.8中導(dǎo)為兩邊的面上均布力來實現(xiàn)，如圖5所示;雨棚荷載是通過雨棚柱傳遞到橋面上，所以施加集中荷載，如圖6所示;扶梯及樓梯荷載如圖7所示。結(jié)構(gòu)的活荷載為人行荷載。

圖5 欄桿荷載

圖6 雨棚荷載

圖7 扶梯荷載

圖8 應(yīng)力云圖剖視圖

3.5 分析結(jié)果

3.5.1 應(yīng)力

在最不利荷載組合作用下，用ABAQUS6.8分析得出結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖。圖8為應(yīng)力云圖剖視圖。

從圖8可以看出:1)在最不利荷載作用下，結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力水平較低，跨中位置全截面mises應(yīng)力不超過70 MPa。2)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為240 MPa，最大應(yīng)力點在變截面處的加勁肋與橫向腹板的交匯處，最大應(yīng)力點周圍應(yīng)力不超過120 MPa，可以看出最大應(yīng)力是由應(yīng)力集中引起的。3)固端支座上方的10個加勁肋應(yīng)力分布較均勻，且其周圍應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力水平較低，可見加勁肋對該區(qū)域的加固作用較明顯。

圖9 位移云圖

圖10 位移云圖剖視圖

3.5.2 位移

圖9為最不利荷載作用下結(jié)構(gòu)的位移云圖，圖10為位移云圖剖視圖。

從圖9，圖10中可以看出，在最不利荷載作用下，結(jié)構(gòu)的最大位移發(fā)生在簡支段的跨中，大小為18mm。

有限元分析表明，在最不利荷載作用下，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力發(fā)生在應(yīng)力集中點，大小為240 MPa，除應(yīng)力集中外的其他區(qū)域應(yīng)力水平較低，應(yīng)力比在0.4左右;結(jié)構(gòu)的最大位移在簡支段的跨中，大小為18mm，位移分布連續(xù)。因此，此結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

本文討論了變截面鋼箱梁人行天橋空間有限元模擬和分析的方法，準(zhǔn)確地驗算了主梁的強度、變形等，可為類似結(jié)構(gòu)形式的人行天橋設(shè)計研究提供參考。

［1］ GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］ JTJ 025-86，公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)規(guī)范［S］.

［3］ CJJ 69-95，城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］ JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范［S］.

［5］ JTJ 041-2000，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［6］ 程昭波，陳文祥，陳 濤.超長環(huán)形連續(xù)鋼箱梁天橋結(jié)構(gòu)設(shè)計要點［J］.山西建筑，2009，35(16):343-344.