基于Ansys有限元軟件的鋼箱梁人行天橋主梁結(jié)構(gòu)安全驗(yàn)算實(shí)例分析

趙海艷

摘要：通過(guò)對(duì)某鋼箱梁人行天橋?yàn)檠芯繉?duì)象，運(yùn)用橋梁博士V3.5.0軟件及Ansys有限元軟件，對(duì)鋼箱梁人行天橋主梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、撓度及自振頻率進(jìn)行了驗(yàn)算，為類似鋼結(jié)構(gòu)人行天橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鋼箱梁;人行天橋;穩(wěn)定性;自振頻率;有限元

中圖分類號(hào)：S611? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1007-9416（2018）10-0000-00

1 引言

隨著城市發(fā)展進(jìn)程的加速，城市交通日趨飽和，交通壓力逐漸增大，為提高城市路網(wǎng)的通行能力、確保過(guò)街行人的安全和城市交通的順暢通行，人行天橋的建設(shè)對(duì)車輛運(yùn)行速度的提高、交通擁擠狀況的改善、實(shí)現(xiàn)人車的分流等起著至關(guān)重要的作用。諸多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，目前的研究主要圍繞結(jié)構(gòu)振動(dòng)與穩(wěn)定性方面開(kāi)展，尹越應(yīng)用有限元分析手段對(duì)不同質(zhì)量的車輛撞擊鋼結(jié)構(gòu)人行天橋的鋼柱柱進(jìn)行了分析、李強(qiáng)通過(guò)振動(dòng)測(cè)試分析結(jié)合舒適度進(jìn)行人行天橋綜合評(píng)價(jià)。王力彬以西藏林廓天橋項(xiàng)目為背景，分析了TMD對(duì)行人過(guò)街天橋的振動(dòng)控制。本文以某兩跨鋼箱梁人行天橋?yàn)槔?，在組合荷載作用下，運(yùn)用橋梁博士及ANSYS有限元模型對(duì)人行天橋主梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、撓度、自振頻率及穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，并對(duì)其安全性指標(biāo)進(jìn)行了分析。橋梁博士V3.5.0軟件如下圖1所示。

2 工程介紹與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

本文分析的人行天橋主體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)。主橋跨度采用（37+27）m，單箱單室，橋面全寬4.0m，人行道凈寬3.5m，兩側(cè)設(shè)置欄桿寬為0.25m。主梁高度為1.2m。橋下車道最小凈空為5.0m，主橋雙向橫坡為1%，縱坡為0.3%，安全等級(jí)為一級(jí)。

本文分析的天橋主要荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為|：鋼材的容重為78.5KN/m3，人群荷載按照規(guī)范《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ69-95）取值， 主梁材料采用Q345D鋼板焊接而成，主梁工廠分段制造，工地安裝焊為一體。

具體斷面如圖2所示。

3 上部結(jié)構(gòu)主梁計(jì)算分析

3.1 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(duì)結(jié)構(gòu)的作用符合線行疊加原理的條件。

3.2 上部結(jié)構(gòu)箱梁承載能力驗(yàn)算

有限元模型的建立：利用橋梁博士V3.5.0軟件建立該橋上部結(jié)構(gòu)模型，共分為梁?jiǎn)卧?4個(gè)，節(jié)點(diǎn)65個(gè)，如圖3所示。

3.3 材料參數(shù)及荷載效應(yīng)值

模型所選用的材料與實(shí)際橋梁一致，主梁材料采用Q345D鋼板焊接而成，主梁工廠分段制造，工地安裝焊為一體，鋼板的彈性模量為2.06x105，容重為78.5KN/103。主橋一期橫載為鋼箱梁自重，二期橫載由橋面鋪裝、欄桿等自重構(gòu)成，橋面鋪裝15.6KN /m，欄桿15.0 KN /m，人群荷載取3.5KN/m。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50017-2003）第3.2.1條，依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）第3.2條進(jìn)行荷載組合進(jìn)行驗(yàn)算。

3.3.1 強(qiáng)度與撓度

按照根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50017-2003）第3.2.1條，按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）第3.2條荷載組合下計(jì)算，按照規(guī)范要求的鋼材允許正應(yīng)力210MPa，使用階段鋼板最大拉應(yīng)力為59.91MPa<210MPa，最大拉應(yīng)力滿足規(guī)范要求;使用階段鋼板最大壓應(yīng)力為35.75MPa<210MPa，滿足規(guī)范要求。

小箱梁結(jié)構(gòu)跨中部位結(jié)構(gòu)重力產(chǎn)生的撓度為2.12cm，人群荷載產(chǎn)生的最大撓度為2.0cm。人群荷載產(chǎn)生的撓度小于L/600，結(jié)構(gòu)自重+人群荷載跨中產(chǎn)生的最大撓度為4.12cm，大于L/1600=2.18cm，滿足使用要求。

3.3.2 自振頻率和穩(wěn)定性

根據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ69-95）的相關(guān)規(guī)定，人行天橋的自振頻率不應(yīng)小于3Hz。同時(shí)本橋橋面寬度較窄，需要用空間程序進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。所以用大型通用有限元程序ansys建立模型，進(jìn)行自振頻率和穩(wěn)定計(jì)算。

根據(jù)本橋的特點(diǎn)，鋼板采用板殼單元（shell64）進(jìn)行模擬，全橋劃分為28830個(gè)單元，26124個(gè)節(jié)點(diǎn)，全橋結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型如圖4所示。

經(jīng)過(guò)用ansys進(jìn)行模態(tài)分析，得出全橋前十階自振頻率如下：

SET? ?TIME/FREQ? ? LOAD STEP? ?SUBSTEP? CUMULATIVE

1? 3.4896? ? ? ? ? ? ?1? ? ? ? ?1? ? ? ? ?1

2? 4.5834? ? ? ? ? ? ?1? ? ? ? ?2? ? ? ? ?2

3? 5.6657? ? ? ? ? ? ?1? ? ? ? ?3? ? ? ? ?3

4? 5.9744? ? ? ? ? ? ?1? ? ? ? ?4? ? ? ? ?4

5? 6.0703? ? ? ? ? ? ?1? ? ? ? ?5? ? ? ? ?5

6? 6.8936? ? ? ? ? ? ?1? ? ? ? ?6? ? ? ? ?6

7? 7.2555? ? ? ? ? ? ?1? ? ? ? ?7? ? ? ? ?7

8? 7.3686? ? ? ? ? ? ?1? ? ? ? ?8? ? ? ? ?8

9? 7.9804? ? ? ? ? ? ?1? ? ? ? ?9? ? ? ? ?9

10? 8.4118? ? ? ? ? ? ?1? ? ? ? ?10? ? ? ? 10

從以上計(jì)算結(jié)果可知，一階自振頻率為3.4896Hz，滿足規(guī)范要求，如圖5所示。

經(jīng)過(guò)用ansys進(jìn)行屈曲分析，得出全橋前十階穩(wěn)定系數(shù)如下：

SET? ?TIME/FREQ? ? LOAD STEP? ?SUBSTEP? CUMULATIVE

1? 4.9773? ? ? ? ? ? ?1? ? ? ? ?1? ? ? ? ?1

2? 5.2464? ? ? ? ? ? ?1? ? ? ? ?2? ? ? ? ?2

3? 6.0312? ? ? ? ? ? ?1? ? ? ? ?3? ? ? ? ?3

4? 6.1451? ? ? ? ? ? ?1? ? ? ? ?4? ? ? ? ?4

5? 6.9583? ? ? ? ? ? ?1? ? ? ? ?5? ? ? ? ?5

6? 6.9800? ? ? ? ? ? ?1? ? ? ? ?6? ? ? ? ?6

7? 8.0867? ? ? ? ? ? ?1? ? ? ? ?7? ? ? ? ?7

8? 8.7799? ? ? ? ? ? ?1? ? ? ? ?8? ? ? ? ?8

9? 8.9355? ? ? ? ? ? ?1? ? ? ? ?9? ? ? ? ?9

10? 9.3883? ? ? ? ? ? ?1? ? ? ? 10? ? ? ? 10

一階失穩(wěn)如圖6所示。

從以上計(jì)算結(jié)果可知，一階失穩(wěn)系數(shù)為4.9773，達(dá)到使用需求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)一實(shí)例鋼箱梁人行天橋進(jìn)行驗(yàn)算和分析，其現(xiàn)有設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求，通過(guò)驗(yàn)算得到如下結(jié)論：

（1）本文通過(guò)運(yùn)用橋梁博士V3.5.0軟件及ansys有限元軟件，在相應(yīng)荷載組合下，對(duì)鋼箱梁人行天橋主梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、撓度及自振頻率進(jìn)行了驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果滿足規(guī)范要求，本鋼箱梁人行天橋安全可靠。

（2）通過(guò)對(duì)該鋼箱梁的計(jì)算，能夠?yàn)轭愃其摻Y(jié)構(gòu)人行天橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算提供依據(jù)。

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Analysis of Examples of Safety Checking of Main Girder Structure of Steel Box Girder Pedestrian Bridge Based on ANSYS Finite Element Software

ZHAO Hai-yan

（China Railway Construction Suzhou Design and Research Institute Co.， Ltd.， Suzhou Jiangsu 215104）

Abstract： Based on a steel box girder pedestrian bridge as the research object， the strength， stability， deflection and natural frequency of the main girder structure of the steel box girder pedestrian bridge are checked by using the software of Dr. Bridge V3.5.0 and Ansys finite element software， which provides a basis for the structural design and calculation of similar steel structure pedestrian bridge.

Key words： Steel box girder; pedestrian overpass; stability; natural frequency; finite element method