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系，人行天橋在城市交通中的作用日顯重要。隨著經濟和社會的發展進步，人們對城市建設的審美要求日漸提高，人行天橋的設計理念也發生了很大的變化。設計人員開始注重結構細部設計，崇尚以人為本，加強天橋與周邊環境的協調一致，在設計中融合體現高技術與新結構的形式美，使天橋成為塑造城市景觀的重要元素。同時科學技術的不斷發展，新材料、新工藝不斷涌現，修建形態優美的人行天橋難度日漸減小，但與常規的橋梁結構體系相比，體型優美的人行天橋結構受力相對復雜，必須通過細致的有限元模擬和分析才能準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的空間有限元模擬，詳細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 設計依據

2.1 基本設計資料

人行天橋上部結構采用變截面鋼箱梁，梁高800mm，箱梁全寬為4 m，全長22.870 m。箱梁設置預拱度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，環氧樹脂與牛腿頂面相貼。橋面和梯道貼防滑地磚;所有鋼構件做防銹漆兩度，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)各種荷載對結構的作用符合線形疊加原理的條件。

2.3 設計規范

設計規范包括:《公路橋涵設計通用規范》《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》《城市人行天橋與人行地道技術規范》《公路橋涵施工技術規范》《鋼結構設計規范》。

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為風載。

3 有限元分析

3.1 幾何模型

本鋼結構橋有限元分析的幾何建模是通過ABAQUS6.3建立，結構的網格劃分、邊界條件、荷載施加及結果處理都是通過ABAQUS6.3來完成的。鋼結構橋的幾何模型根據設計方提供的詳細資料建立，如圖1所示。

3.2 單元選用

本鋼橋結構為箱形截面，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內部的S4R單元。S4R單元為4節點有限應變單元，每個節點有6個自由度，包括3個平動自由度和3個轉動自由度。

3.3 材料參數

根據設計方提供的資料，本結構采用的材料為Q345鋼材，鋼材的彈性模量為2.06×105MPa，質量密度為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

結構的恒載分為結構的自重和橋面恒荷載(砂漿、地磚、欄桿、雨棚、扶梯對橋面荷載)。鋼結構自重是通過施加重力加速度來實現的，砂漿地磚荷載通過施加面荷載實現，如圖4所示;欄桿荷載為線荷載，在ABAQUS6.8中導為兩邊的面上均布力來實現，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。結構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 應力云圖剖視圖

3.5 分析結果

3.5.1 應力

在最不利荷載組合作用下，用ABAQUS6.8分析得出結構的應力云圖。圖8為應力云圖剖視圖。

從圖8可以看出:1)在最不利荷載作用下，結構整體應力水平較低，跨中位置全截面mises應力不超過70 MPa。2)結構最大應力為240 MPa，最大應力點在變截面處的加勁肋與橫向腹板的交匯處，最大應力點周圍應力不超過120 MPa，可以看出最大應力是由應力集中引起的。3)固端支座上方的10個加勁肋應力分布較均勻，且其周圍應力分布均勻，應力水平較低，可見加勁肋對該區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構的位移云圖，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，結構的最大位移發生在簡支段的跨中，大小為18mm。

有限元分析表明，在最不利荷載作用下，結構的最大應力發生在應力集中點，大小為240 MPa，除應力集中外的其他區域應力水平較低，應力比在0.4左右;結構的最大位移在簡支段的跨中，大小為18mm，位移分布連續。因此，此結構設計滿足規范要求。

4 結語

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，準確地驗算了主梁的強度、變形等，可為類似結構形式的人行天橋設計研究提供參考。

［1］ GB 50017-2003，鋼結構設計規范［S］.

［2］ JTJ 025-86，公路橋涵鋼結構及木結構規范［S］.

［3］ CJJ 69-95，城市人行天橋與人行地道技術規范［S］.

［4］ JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規范［S］.

［5］ JTJ 041-2000，公路橋涵施工技術規范［S］.

［6］ 程昭波，陳文祥，陳 濤.超長環形連續鋼箱梁天橋結構設計要點［J］.山西建筑，2009，35(16):343-344.