連續(xù)鋼箱梁橋有限元模型的建立及施工階段應(yīng)力分析

摘 要：根據(jù)X大橋?qū)嵗?，運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立西岸水中引橋施工階段相應(yīng)工況的精細(xì)模型和桿系模型，并對(duì)本橋梁施工階段進(jìn)行應(yīng)力分析。

關(guān)鍵詞：有限元模型；連續(xù)鋼箱梁橋；應(yīng)力分析

1 工程簡(jiǎn)介

X大橋西岸水中引橋結(jié)構(gòu)形式為等高組合連續(xù)箱形梁橋。橋梁全長(zhǎng)480m，計(jì)算跨徑為79.1m+480m+78.1m，雙幅布置，道路平曲線(xiàn)為半徑的圓弧。單箱單室斷面，單幅橋?qū)?7m，中央隔離帶0.5m，梁高4m，橋面設(shè)置2%的橫坡。

鋼梁為開(kāi)口槽形截面，頂板板厚20mm-65mm，寬1.2m；腹板厚度16mm-35mm，曲線(xiàn)內(nèi)外側(cè)腹板斜率分別為1：2.069和1：2.183；底板板厚14mm-30mm，寬6.6m。根據(jù)板厚以及長(zhǎng)度的不同，全橋鋼梁共分18種類(lèi)型。腹板水平加勁肋采用板式，縱向間斷布置，腹板豎向加勁肋采用T型，僅在支點(diǎn)附近布置；底板縱向加勁肋采用板式，沿橋梁縱向連續(xù)布置。在鋼梁內(nèi)部設(shè)置橫向聯(lián)結(jié)系，全橋包括析架式和隔板式兩種類(lèi)型，除支點(diǎn)位置采用隔板式橫向聯(lián)結(jié)系，其余位置均采用析架式。析架式橫向聯(lián)結(jié)系的標(biāo)準(zhǔn)間距為4m，由腹板、底板橫向加勁肋、頂板橫梁、型鋼撐桿組成。

2 有限元模型建立

2.1 精細(xì)模型

運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立西岸水中引橋施工階段相應(yīng)工況的精細(xì)模型。鋼梁頂板、腹板、加勁肋及橫向聯(lián)結(jié)系采用she1163單元，網(wǎng)格劃分為四邊形。梁底混凝土采用solid45單元，網(wǎng)格劃分為四面體。網(wǎng)格劃分邊長(zhǎng)控制在30cm以?xún)?nèi)，保證有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

全橋鋼梁節(jié)段類(lèi)型共18種。在鋼梁處于頂推階段的最大懸臂狀態(tài)時(shí)，有限元模型為板殼元模型。

就鋼梁而言，同時(shí)承受著自重荷載及前段導(dǎo)梁的作用。為了簡(jiǎn)化模型，將導(dǎo)梁作為集中荷載施加在鋼梁前端截面上，豎向力F=-1095.4kN、彎矩M=-21688.9kN、扭矩T=-1.75kN}m。模型約束條件為，在曲線(xiàn)內(nèi)外側(cè)頂推設(shè)備處，約束豎向平動(dòng)自由度，沿曲線(xiàn)徑向平動(dòng)自由度。再在頂推設(shè)備組3曲線(xiàn)外側(cè)支點(diǎn)處約束沿曲線(xiàn)切向平動(dòng)自由度。

2.2 桿系模型

運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立西岸水中引橋施工階段相應(yīng)工況的桿系模型。全橋采用beam 189單元，將單元翹曲自由度開(kāi)關(guān)打開(kāi)，截面指定為ASEC類(lèi)，直接輸入梁?jiǎn)卧膸缀翁匦?。單元?jiǎng)澐珠L(zhǎng)度為0.7m-3.1m，全橋90%以上的單元長(zhǎng)度為1m。由于實(shí)橋在支座位置處設(shè)置隔板式橫向連接，橫向剛度大，故在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)位置處約束其切向扭轉(zhuǎn)自由度和豎向平動(dòng)自由度來(lái)模擬抗扭支座。抗扭支座內(nèi)外側(cè)支反力可根據(jù)桿系模型相應(yīng)支點(diǎn)處得到的豎向反力、扭矩以及截面扭心位置確定。整個(gè)模型建立在截面扭轉(zhuǎn)中心位置處。鋼梁自重和橋面板荷載以均布荷載的形式加載在梁?jiǎn)卧稀?/p>

在頂推過(guò)程處于最大懸臂狀態(tài)時(shí)，在頂推設(shè)備處約束梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)豎向平動(dòng)自由度及切向扭轉(zhuǎn)自由度，再在頂推設(shè)備3位置約束切向平動(dòng)自由度。當(dāng)橋梁處于頂推完成承受自重荷載階段，以及混凝土橋面板鋪設(shè)完成階段，邊界條件是一樣的。在永久墩位置約束節(jié)點(diǎn)豎向平動(dòng)自由度及切向扭轉(zhuǎn)自由度，再在pm46位置約束切向平動(dòng)自由度。

3 施工階段應(yīng)力分析

由于所建立的beaml 89單元桿系模型的截面類(lèi)型是ASEC類(lèi)，無(wú)法直接提取出準(zhǔn)確的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果?？商崛〕瞿Ｐ陀?jì)算的梁?jiǎn)卧獌?nèi)力值，運(yùn)用經(jīng)典的薄壁桿件結(jié)構(gòu)力學(xué)即可求得截面任意位置的應(yīng)力。這里主要介紹薄壁桿件正應(yīng)力的計(jì)算方法。

對(duì)于本文研究的開(kāi)口槽形截面，依據(jù)上述公式，可以得到各種類(lèi)型鋼梁所對(duì)應(yīng)的主零點(diǎn)位置及截面各位置處主扇性坐標(biāo)值。不考慮縱向加勁肋的影響。如圖1，主零點(diǎn)S0距梁底板中心線(xiàn)距離為t。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）在整個(gè)施工過(guò)程中，無(wú)論鋼梁處于懸臂狀態(tài)，還是成為六拷連續(xù)梁承受自重荷載，或者與梁底混凝±共同承受橋面板荷載，精細(xì)模型作為參考，桿系模型也可W很準(zhǔn)確地計(jì)算出結(jié)構(gòu)的支反力和變形。準(zhǔn)確地模擬出結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分配W及扭轉(zhuǎn)變形和彎曲變形。結(jié)構(gòu)大部分位置的相對(duì)誤差可保持在10%以?xún)?nèi)。（2）相比于精細(xì)模型的計(jì)算結(jié)果，桿系模型在橫向連接位置的鋼梁應(yīng)力計(jì)算值要大一些，其他位置處鋼梁應(yīng)力計(jì)算值接近。也就是說(shuō)，桿系模型應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與精細(xì)模型應(yīng)為計(jì)算峰值是比較接近的，峰值誤差在10%以?xún)?nèi)?？蓱?yīng)用桿系模型的計(jì)算結(jié)果來(lái)掌握實(shí)際結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平。

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作者簡(jiǎn)介：吳文輝（1968，01-），男，湖南長(zhǎng)沙人，1989年7月畢業(yè)于長(zhǎng)沙交通學(xué)院，道路與橋梁專(zhuān)業(yè)，本科，工程師。