有限元模擬寬箱梁的受力性能分析

鄒毅松，宋明曦

（重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074）

1 箱梁特點

箱型梁有諸多優(yōu)點：其截面抗扭剛度大，能夠滿足結(jié)構(gòu)在施工與使用過程對穩(wěn)定性的要求；在偏心荷載的作用下，由于縱向扭轉(zhuǎn)、剛性扭轉(zhuǎn)、畸變及橫向翹曲的綜合影響使其力學(xué)行為與一般桿系結(jié)構(gòu)存在一定差異；箱型截面的頂板和底板都能有效地抵抗正負彎矩，并滿足配筋率的要求，適應(yīng)具有正負彎矩的結(jié)構(gòu)；截面效率高，并適合預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)空間布束，能夠得到更好的經(jīng)濟效果；對于寬橋，由于抗扭剛度大，跨中無需設(shè)置橫隔板就能獲得滿意的荷載橫向分布。

2 箱梁空間受力分析

2.1 箱梁的特征參數(shù)

為便于研究討論，取兩種截面形式的箱梁為分析研究對象，進行比較分析。其中1個截面形式為單箱五室的寬箱梁，頂板寬度為18m，寬跨比為0.8；另1個截面形式為單箱雙室的普通箱梁，頂板寬度為 10.23m，寬跨比為 0.51。兩箱梁跨徑20m，梁高為2.05m，頂板和底板厚度為0.25m，腹板厚度為0.45m，兩箱梁計算模型的具體尺寸如圖1所示。

對梁段進行分析時，按照一端固定、另一端自由約束條件進行邊界處理，選用C50的混凝土材料。材料特性為：彈性模量E＝3.45×104MPa，泊松比μ＝0.1667，由于箱梁截面形式不同，為降低自重對結(jié)果的影響，所以暫不考慮自重。

2.2 箱梁的有限元空間模型

通過有限元軟件ANSYS分別建立結(jié)構(gòu)有限元模型。用實體單元SOLID95進行模擬，SOLID95是SOLID45（3維8節(jié)點）高階單元形式，此單元能夠容許不規(guī)則形狀，并且不會降低精確性，從而可以在保證精度的情況下降低網(wǎng)格劃分個數(shù)，減少計算量。SOLID95有20個節(jié)點定義，每個節(jié)點有3個自由度，（X，Y，Z方向），在空間的方位任意，具有塑性、蠕變、輻射膨脹、應(yīng)力剛度、大變形以及大應(yīng)變的能力，可滿足綜合考慮箱梁扭轉(zhuǎn)、畸變、翹曲、剪力滯等方面的影響。

圖1 箱梁構(gòu)造（單位：m）

分別自下而上建立兩個箱梁模型，以X方向為橫向，以Y方向為縱向。寬箱梁離散成26548個節(jié)點，4032個單元，普通箱梁離散成13477個節(jié)點、2016個單元。結(jié)構(gòu)離散如圖2所示。

圖2 箱梁結(jié)構(gòu)離散

2.3 加載形式

為滿足對比分析的要求，考慮最不利情況的影響，加載形式分為2種：1種為單側(cè)加載，即在頂板0.45m×20m的面內(nèi)施加10kN的壓力；另1種為雙側(cè)加載，在頂板一側(cè)0.45m×20m的面內(nèi)施加10kN的壓力，以及在另側(cè)的對稱位置面內(nèi)施加10 kN反方向的力，具體位置如圖3所示。

圖3 加載形式

3 模型結(jié)果分析比較

3.1 單側(cè)加載應(yīng)力變化情況

單箱多室寬箱梁和單箱雙室箱梁頂板橫向（X方向）應(yīng)力，具體如圖4所示，當單側(cè)加載時，單箱雙室箱梁頂板應(yīng)力在固定端應(yīng)力分布不均勻，最大值出現(xiàn)在加載位置的固定端部分，而在加載位置與腹板相交的地方出現(xiàn)的部分區(qū)域應(yīng)力減小，而此箱室腹板與頂板相連接的地方應(yīng)力出現(xiàn)增大的突變，并向固定端處延伸。另1個箱室區(qū)域的應(yīng)力趨勢無明顯變化，也就是說單側(cè)加載的應(yīng)力沒有影響到遠離荷載作用的箱室。而單箱多室寬箱梁的應(yīng)力最大值與單箱雙室箱梁相同，在加載位置與腹板相交的地方也出現(xiàn)部分區(qū)域應(yīng)力減小，而在此箱室的另側(cè)腹板與頂板相連接的地方出現(xiàn)了應(yīng)力的突變，而這現(xiàn)象在之后的各個箱室的相同位置依舊出現(xiàn)，影響范圍在荷載作用處附近，遠離荷載作用處的應(yīng)力局部突變的效應(yīng)逐漸減小。

單箱多室寬箱梁和單箱雙室箱梁底板橫向（X方向）應(yīng)力，具體如圖5所示，單箱雙室箱梁底板也按照頂板的應(yīng)力相似分布，在荷載作用位置的應(yīng)力突變范圍與單箱雙室箱梁的突變范圍相近，只是在遠離荷載作用的箱室發(fā)生應(yīng)力的減小。單箱多室箱梁與頂板應(yīng)力分布相同，也產(chǎn)生了應(yīng)力分布不一致，發(fā)生了突變，影響范圍隨著遠離荷載作用位置而減小，在最遠端的箱室里，只存在一側(cè)的應(yīng)力增大。

3.2 對稱加載應(yīng)力變化情況

單箱多室寬箱梁和單箱雙室箱梁底板橫向（X方向）應(yīng)力，具體如圖6所示。單箱雙室箱梁頂板的應(yīng)力分布十分的對稱，固定端應(yīng)力分布較均勻，在荷載作用位置與腹板相交的地方出現(xiàn)應(yīng)力減小的突變，而在此箱室的另一端則發(fā)生應(yīng)力增大的變化，另1個箱室的應(yīng)力分布與其相同，而在靠近固定端的的位置，應(yīng)力位置發(fā)生變化，應(yīng)力突變增大與減小的位置在箱室的外側(cè)。單箱多室寬箱梁頂板的應(yīng)力分布與單箱雙室頂板的應(yīng)力分布相似，在荷載作用位置的應(yīng)力突變范圍也與單箱雙室箱梁的突變范圍相近，只是隨著遠離加載位置的箱室的應(yīng)力突變逐漸減弱，但是在中部的箱室靠近固定端的部分出現(xiàn)應(yīng)力的變化且與靠近懸臂端的應(yīng)力突變分布相反。

單箱多室寬箱梁和單箱雙室箱梁底板橫向（X方向）應(yīng)力，具體如圖7所示。單箱雙室底板的應(yīng)力變化如頂板分布，并且一直向固定端延伸。單箱多室寬箱梁的底板應(yīng)力變化十分對稱，固定端和自由端的應(yīng)力變化隨著遠離加載位置而增大，但在跨中位置的應(yīng)力突變分布卻與其相反，而且其大小的變化也隨著加載位置的遠離而減小，并且在中間的箱室中沒有發(fā)生應(yīng)力的突變。

4 結(jié)束語

本文主要通過有限元軟件分析，對單箱多室寬箱梁在施加不同荷載作用下的空間力學(xué)性能進行研究，得到單箱多室寬箱梁在不同荷載作用情況下的橫向內(nèi)力分布，并且與單箱雙室箱梁內(nèi)力分布情況進行對比分析。

在單側(cè)加載的情況下，單箱多室寬箱梁的應(yīng)力突變隨著加載位置的距離而逐漸減小，而單箱雙室的應(yīng)力突變基本均勻，腹板在其中起到關(guān)鍵作用，而且寬箱梁腹板較多，遭受剪切破壞，因此，應(yīng)該重視單箱多室寬箱梁頂板與腹板交界處的應(yīng)力突變的特殊變化，并進一步研究。

在對稱加載的情況下，單箱多室寬箱梁的應(yīng)力變化與單側(cè)加載的情況下應(yīng)力變化趨勢相近，但在靠近固定端位置出現(xiàn)應(yīng)力突變，與單箱雙室的分布不同，而底板的應(yīng)力突變變化趨勢更明顯。

在相同位置施加荷載的情況下，單箱多室寬箱梁與單箱雙室箱梁出現(xiàn)不同的應(yīng)力分布，這種情況應(yīng)引起更多的關(guān)注。隨著箱梁寬度的增大，寬跨比的增加，傳統(tǒng)單箱單室的經(jīng)典理論已不能很好的解決寬箱梁的問題，因此需要對其進行更深層次的研究。

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