基于ANSYS 的鋼箱梁空間有限元分析

羅 旭

1 概述

隨著我國城市化的日益發展和道路交通需求的增加，城市高架道路系統得到了飛速發展。隨著鋼鐵工業和鋼結構技術的發展，鋼結構立交橋的數量也在不斷增加，箱形截面抗扭剛度大、整體性好的特點使得鋼箱梁結構在橋梁設計及建造過程中得到廣泛的應用，現已成為主梁形式的首選。在市區進行立交工程施工，難免會阻隔路面交通，對周邊環境造成較大的影響，而鋼結構立交橋所用的鋼箱梁節段可在鋼構件加工工廠進行預制加工和防腐噴涂，待加工完成后再運至現場進行焊接安裝，可大大縮短工期。所以，從某種程度上來說，鋼箱梁立交橋的設計和施工順應了未來城市立交的發展趨勢。

2 鋼箱梁空間有限元模型的建立

云溪路轉科韻北路跨線橋主橋采用(28+2×39+28)m連續鋼箱梁結構，橋梁處于59.1 m的圓曲線及緩和曲線上，橋面寬度為9.03 m ～10.8 m，翼板寬度為1.915 m ～2.8 m，預制箱寬5.2 m(含腹板厚度)，箱體凈高1.4 m(腹板高)。沿橋梁縱向每隔5.7 m設一道橫向強加勁肋，兩道強加勁肋之間平均設兩道橫向弱加勁肋。橋面鋪裝上層為10 cm厚瀝青混凝土，下層為12 cm厚的C40鋼纖維混凝土，兩側防撞欄每側寬50 cm。

本次分析計算采用大型通用有限元程序ANSYS，箱梁頂板、底板、翼板、腹板、橫梁、橫向強加勁及橫向弱加勁等用空間殼單元Shell63模擬，縱向加勁肋用空間梁單元Beam4模擬，橋面12 cm厚鋼纖維混凝土結合層用三維體單元Solid45模擬，全橋共有187 506個空間殼單元，25 180個空間梁單元，78 814個空間實體單元。鋼箱梁5個支點橫向均設置雙支座，全橋共10個支座，其中1號、2號、4號和5號支點曲線外側的支座均為豎向約束，曲線內側的支座沿徑向和豎向進行約束;3號支承處曲線外側的支座沿切向和豎向進行約束，曲線內側的支座沿徑向、切向和豎向進行約束。

考慮到施工過程結構體系的變化，計算應力的時候采用鋼箱梁模型，將結合層作為二期恒載施加于鋼梁上，不考慮結合層與鋼梁之間的疊合作用，計算撓度時則采用鋼—混凝土的疊合梁模型，即在鋼箱梁模型的基礎上，采用Solid45體單元模擬鋼纖維混凝土結合層。

3 空間有限元分析計算結果

3.1 恒載計算

根據設計圖紙，恒載作用下的荷載工況為:鋼箱梁和箱內混凝土壓重塊等效荷載+二期恒載。

在ANSYS中，通過設定系統重力加速度(g=9.8 N/kg)來實現鋼箱梁和結合層部分的自重，支點橫梁處混凝土壓重及二期恒載則以面均布荷載施加于鋼箱梁頂板，其中，二期恒載折算面荷載為:

1)行車道部分=26 000 N/m3×0.12 m(疊合梁混凝土部分厚)+23 000 N/m3×橋面鋪裝層厚0.1 m=5 420 N/m2。

2)防撞墻部分=0.457 m2(防撞墻橫向面積)×26 000 N/m3÷0.5 m(防撞墻橫向寬度)+26 000 N/m3(混凝土容重)×0.12 m(疊合梁混凝土部分厚)=26 884 N/m2。

3.2 汽車活載計算

3.2.1 橫橋向最不利汽車活載布置

由于ANSYS程序為通用有限元軟件，沒有按我國公路橋梁設計規范定制的相關荷載及相應的縱橫向影響線自動加載功能，因此，需要根據實際情況進行對比計算，確定最不利的加載方式。根據JTG D60-2004公路橋涵設計通用規范，汽車活載采用公路Ⅰ級車道荷載:均布面荷載q=10.5 kN/m(公路Ⅰ級均布荷載標準值)÷1.8 m(假定輪壓寬度)=5.833 kN/m2;集中荷載 P=180+(360－180)×(39－5)÷(50－5)=316 kN。

經對比計算，橫橋向雙車道偏置在曲線梁的外側時，汽車活載的作用效應最大，因此橫橋向的荷載布置情況如圖1所示。

3.2.2 縱橋向最不利汽車荷載布置

根據結構力學以及設計經驗，按照如下方式給出各控制截面最不利內力(第一跨跨中、2號支點、第二跨跨中和3號支點)的縱向影響線加載方式。

1)第一跨跨中最大正彎矩。對第一跨跨中截面進行縱向影響線加載，即在第一跨和第三跨布置車道面均布荷載q，在第一跨跨中布置車道集中荷載P。

2)2號支點最大負彎矩。對2號支點截面進行縱向影響線加載，即在第一跨、第二跨和第四跨布置車道面均布荷載q，在第一跨跨中附近布置車道集中荷載P。

3)第二跨跨中最大正彎矩。對第二跨跨中截面進行縱向影響線加載，即在第二跨和第四跨布置車道面均布荷載q，在第二跨跨中布置車道集中荷載P。

4)3號支點最大負彎矩。對3號支點截面進行縱向影響線加載，即在第二跨和第三跨布置車道面均布荷載q，在第二跨跨中附近布置車道集中荷載P。

限于篇幅，在此僅給出第一跨跨中的縱向影響線加載方式如圖2所示。

3.3 荷載組合

根據以上各種工況下計算結果進行荷載組合，得到各控制截面的最大等效應力如表1所示，腹板的最大剪應力如表2所示。

表1 各控制截面最大組合等效應力 MPa

表2 各控制截面最大組合剪應力 MPa

從表1，表2中的數據可以看出，荷載組合后各控制截面的最大等效應力(SEQV)和最大剪應力均滿足Q345鋼材的設計要求，其中最大等效應力出現在3號支點(中支點)底板處:108.5 MPa;最大剪應力出現在2號支點(次邊支點)邊腹板處:30.76 MPa。

4 結語

本文以廣州市云溪路轉科韻北路跨線橋的鋼箱梁為工程背景，應用ANSYS程序建立空間有限元模型，對其在設計荷載作用下進行計算分析，得出以下結論:

1)基于ANSYS的實體單元Shell63及Solid45，建立空間有限元分析模型對曲線鋼箱梁進行空間受力分析，可以較為真實地反映鋼箱梁的空間力學行為。

2)通過分析確定鋼箱梁空間有限元模型中的縱橫向最不利加載位置，在此基礎上對模型進行加載求解，讓設計計算者清楚結構的受力以及方便進行模型的校核。

鑒于ANSYS沒有定制我國的設計規范及其影響下自動加載，因此ANSYS程序更適合用于計算復核，校驗橋梁專業計算軟件的結果。

3)計算結果表明，云溪路轉科韻北路跨線橋的鋼箱梁在恒活載作用下，各控制截面的應力均滿足規范的要求，且具有比較的富余，說明該橋在實際工程中具有比較好的工作性能，再次證明了鋼箱梁在城市立交中的優勢。

4)關于曲線鋼箱梁的應用，尚有很多問題值得進一步探討，如溫度作用效應分析，鋼—混凝土結合的接觸問題，負彎矩區混凝土結合層的開裂問題等。

[1]張立明.Algor、Ansys在橋梁工程中的應用方法與實例[M］.北京:人民交通出版社，2003.

[2]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S］.

[3]JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規范[S］.

[4]GB 50017-2003，鋼結構設計規范[S］.