Hans Journal of Civil Engineering 土木工程, 2017, 6(2), 196-205
Published Online March 2017 in Hans. /journal/hjce /10.12677/hjce.2017.62021
文章引用: 何知银, 李德建, 马衡. 异形钢箱梁桥空间内力分析[J]. 土木工程, 2017, 6(2): 196-205. Analysis of Spatial Internal Force of Deformed Steel Box Girder Bridge
Zhiyin He 1, Dejian Li 2, Heng Ma 2*
1Duyun Highway Management Department of Guizhou Province, Duyun Guizhou 2
School of Civil Engineering, Central South University, Changsha Hunan
Received: Mar. 11th
, 2017; accepted: Mar. 28th
, 2017; published: Mar. 31st
, 2017
Abstract
In order to conform to the trend line, all kinds of deformed bridges appear constantly. Because of its superior production, installation and appearance, special-shaped steel box girder is more and
more popular. At present, there are still many deficiencies in the simplified analysis method of the stress characteristics of the deformed bridge structures, so it is necessary to accurately analyze the
stress characteristics of this bridge. This paper uses the plate unit of Midas/Civil to build a model of deformed steel box girder. The results show that the spatial effect of the bridge is ob-vious, and the bearing has evident stress concentration. The bridge has the risk of failure in the standard combination and the bridge has the bearing invalidation risk under the standard com-bination. The first and the second order vibration mode of the bridge are mainly controlled by bending. The third to the fifth order vibration mode are controlled by the reverse.
Keywords
Deformed Steel Box Girder, Force Characteristics, Plate Unit, Finite Element Method
异形钢箱梁桥空间内力分析
何知银1，李德建2，马 衡2*
1贵州省都匀公路管理段，贵州 都匀 2
中南大学土木工程学院，湖南 长沙
收稿日期：2017年3月11日；录用日期：2017年3月28日；发布日期：2017年3月31日
摘 要
口红管
为了顺应线路的走向，各种异形桥梁不断出现，异形钢箱梁因为其制作、安装、美观上的优势越来越受*
通讯作者。
何知银 等
到青睐。现今对异形桥梁结构受力特性的简化分析方法，仍然存在着很多不足，所以对异形桥梁受力特性进行精确的分析非常必要。本文采用Midas/Civil 中的板单元精确建立某异形钢箱梁的模型，结果表明：该桥的空间效应十分明显，在支座处存在明显的应力集中现象；该桥在标准组合下有支座存在失效的风险；该桥前两阶振型主要由弯曲控制，第三至第五阶振型由扭转控制。 关键词
异形钢箱梁，受力特性，板单元，有限元
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/licenses/by/4.0/
1. 引言
为了顺应线路的走向，公路各种异形桥梁不断出现，异形钢箱梁因为其制作、安装以及美观上的优势越来越受到青睐[1]。但是异形桥梁相对于一般的直线桥梁，其受力方式复杂，传统的平面杆系算法对于这类桥梁的计算已经越来越力不从心[2]。国内外就有不少由于缺乏对异形桥梁受力特性的了解，而导致的各种桥梁病害[3]。因此，精确分析异形桥梁的受力特性非常必要。
随着通用有限元程序的发展，基于平面应力与弯曲复合的板壳元分析异形桥梁已是一种趋势，如通用有限元软件Ansys 和Midas/Civil 等。这些软件为全面分析异形钢箱梁的受力特点提供了很好的平台。已有的异形桥梁的模拟主要采用剪力柔性梁格法，但是此种方法不能对顶板、底板和腹板的受力进行精确的模拟[4] [5] [6] [7]。因此对于异形钢箱梁桥，建立整体的板壳模型精确模拟受力情况就非常必要。本文基于某异形钢箱梁的实际工程，采用Midas/Civil 建立全桥的板壳单元模型，以减少传统剪力
柔性梁格法计算时因自由扭转假设、边界条件假设及横向尺寸效应假设等所引起的失真，从而对其空间受力特性进行更为可靠的分析，研究其在不同荷载作用之下的截面应力、结构位移、支座反力以及自振特性等情况，为今后类似桥梁的设计计算提供参考。
2. 本案例桥梁的设计参数
2.1. 桥梁的整体设计
钢箱主梁采用正交异性桥面板全焊箱型断面钢箱梁，材料采用Q345C 钢材。
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宝商集团陕西辰济药业有限公司为了方便地说明桥梁的大体结构，可以将桥梁分为两个大部分：桥梁直线段与桥梁曲线段，分别对应图1中桥梁中心线为直线和曲线的部分。异型桥梁由于其特殊的形状，其支座布置一般比直线桥梁要复杂。对于本桥，在G1处设置了一个三向约束，在B9、I9、I10、G1处均布置了双向支座，其余均设置为单向支座。具体支座布置以及支座型号如图1所示。
钢箱梁直线段顶板宽9.0~8.379 m ，底板宽6.6 m ，悬臂长1.2 m ，钢箱梁高1.7 m ；钢箱梁曲线段顶板宽8.0 m ，底板宽5.6 m ，悬臂长1.2 m ，钢箱梁高1.7 m 。桥梁的横隔板、腹板和桥梁的整体布置图如图2，其中虚线表示桥梁的腹板以及横隔板，红实线表示桥梁的外轮廓线。钢箱梁顶板厚16 mm ，底板厚16mm ，腹板厚16 mm ；车行道部分桥面板采用U 型加劲肋，标准横向间距直线段为50
0 mm ，曲线段为525mm ，悬臂板采用板肋，间距为250 mm ；底板采用T 型加劲肋，直线段间距为400 mm ；曲线段为440 mm 。腹板采用板肋。横隔板的布置如图1中虚线所示，横隔板厚度为16 mm 。
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何知银等
Figure 1. The support arrangement plan of deformed steel box girder
lrx图1. 桥梁的支座布置图
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Figure 2. The arrangement plan of deformed steel box girder
图2. 桥梁的整体布置图
2.2. 结构有限元模型的建立
2.2.1. 建模说明
(1) 结构模拟：异形曲线钢箱梁受力情况复杂，运用一般的平面杆系分析方法进行计算，不能全面反
映结构的受力特性和传力途径。本桥采用Midas/Civil有限元程序，建立板壳单元模型并进行计算，其中桥面铺装和附属设施不参与受力，以恒载的形式等效于有限元模型中。模型主要采用的板单元为4节点
何知银等
薄板单元，同时为了更好地划分网格，在某些局部区域采用了3节点薄板单元过渡，具体布置的细节可以参照图3。最终建立的桥梁整体有限元模型一共22,595个节点，25,096个单元，有限元模型整体如图4所示。
(2) 荷载组合工况考虑：通过Midas/Civil自动组合功能实现荷载组合，依据《城市桥梁设计规范》(GJJ 11-2011)取升温和降温两种最不利组合进行验算。下文出现的恒载均指结构自重和二期恒载之和。
升温基本组合1：S u1 = 恒载+ 支座沉降+ 汽车荷载+ 升温梯度
降温基本组合2：S u2 = 恒载+ 支座沉降+ 汽车荷载+ 降温梯度
2.2.2. 计算参数
该桥主要计算参数如下：
(1) 结构自重以及二期恒载：Q345C钢材容重78.5 kN/m3，并考虑附加焊缝重量(以钢箱梁自重的1.5%计)；护栏15.0 kN/m，沥青混凝土容重24.0 kN/m3，厚度取10 cm；C50钢筋砼容重25.0 kN/m3。取Q345C 轴向容许应力为200 Mpa，弯曲容许应力为210 Mpa，剪切容许应力为120 Mpa。
(2) 汽车荷载：城-A级，考虑该处车流量较大，故不考虑横向折减效应。本桥主道和匝道都以两车道计算。
(3) 支座沉降：考虑纵横向的不均匀沉降，按单个支座处沉降5 mm考虑。
(4) 局部温差：按升温14℃、降温7℃计。
3. 计算结果及其分析
3.1. 应力分析
运用板单元模型能够计算出全桥任意处的应力分布情况，这对于研究此类薄壁结构具有很大的优势。von-Mises屈服准则表示在一定的变形条件下，当受力物体内一点的等效应力达到某一个定值时，该点即可判定为进入塑性状态，该准则能够较为准确反映截面的受力与失效情况[8]。图5(a)~图5(d)是升温组合的作用下，钢箱梁的腹板、顶板、底板和横隔板的von-Mises应力云图；图6(a)~图6(d)是降温组合的作
Figure 3. The finite element model of I10 support
图3. I10支座附近单元的布置图
Figure 4. The finite element model of deformed steel box girder
图4. 桥梁整体有限元模型
何知银等
(a) 升温组合下腹板的von-Mises应力云图
(b) 升温组合下顶板的von-Mises应力云图
(c) 升温组合下底板的von-Mises的应力云图
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