混凝土簡(jiǎn)支箱梁截面參數(shù)對(duì)其內(nèi)力影響的分析研究

黃金范+許垚+厲凌+梅笑冰+褚貞欽

（上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院 上海）

摘 要：本文研究了混凝土簡(jiǎn)支梁橋主梁，主要對(duì)象為箱型梁。箱型梁由于其自身截面特點(diǎn)具有承載力較大，抗彎、抗扭性能強(qiáng)切自重小等特點(diǎn)，從而被廣泛應(yīng)用。文章以箱梁的腹板坡度以及腹板厚度為變量，借助現(xiàn)代化工具M(jìn)idasCivil結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，以有限元模擬荷載作用下不同截面參數(shù)的簡(jiǎn)支箱梁，得出其受力狀態(tài)。并且將荷載作用相同的不同截面的梁進(jìn)行橫向比較，分析截面參數(shù)的改變對(duì)梁受力的影響。

關(guān)鍵詞：箱梁；截面參數(shù)；MidasCivil

1引言

簡(jiǎn)支體系橋是一端為固定鉸，另一端為可動(dòng)較的結(jié)構(gòu)體系，是橋梁中應(yīng)用最早，使用最廣泛的一種橋型。[1]簡(jiǎn)支梁橋受力簡(jiǎn)單，跨中只承受彎矩，預(yù)應(yīng)力、收縮徐變、體系溫變等不會(huì)在橋梁中產(chǎn)附加應(yīng)力。由于結(jié)構(gòu)內(nèi)力受到地基變形等因素影響小，對(duì)基礎(chǔ)要求低，故適用于我國(guó)廣大地區(qū)的復(fù)雜地質(zhì)條件。簡(jiǎn)支梁橋相鄰橋孔單獨(dú)受力，所以施工管理簡(jiǎn)單且施工費(fèi)用低。簡(jiǎn)支梁橋主梁截面形式有肋板、空心板、箱型、組合箱型等。本文的研究對(duì)象箱型梁其箱型的截面具有良好的結(jié)構(gòu)性能，有抗扭剛度大、有效抵抗正負(fù)彎矩、施工方便、整體受力、適應(yīng)性強(qiáng)、鋪設(shè)管道方便等特點(diǎn)。隨著橋梁事業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)橋梁設(shè)計(jì)提出了更高的要求，傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計(jì)受到?jīng)_擊，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)分析理論進(jìn)一步發(fā)展。[2]本文以某30米跨徑混凝土簡(jiǎn)支箱梁為背景，選定該箱梁的腹板以及腹板坡度為變量，借助Midas有限元軟件對(duì)該箱梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能的分析。研究其在相同荷載及外部環(huán)境下，腹板坡度以及腹板厚度的改變對(duì)該梁受力情況產(chǎn)生的影響。

2 建立模型

本文主要選取箱梁腹板的坡度和厚度作為設(shè)計(jì)變量，其他截面尺寸作為常量考率。箱梁的截面尺寸如圖1所示。箱梁采用單箱單室結(jié)構(gòu)，跨徑30m，梁高1.6m，采用斜腹板，梁底寬1.8m，箱梁頂板寬3.3m，混凝土等級(jí)為C50。

使用的工具為Midas Civil，該軟件針對(duì)土木結(jié)構(gòu)，尤其是分析像箱型橋梁、懸索橋、斜拉橋等特殊的橋梁結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)也可以進(jìn)行非線性邊界分析、材料非線性分析、水化熱分析、動(dòng)力彈塑性分析和靜力彈塑性分析等。可以迅速、準(zhǔn)確地完成類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析。

建模步驟：

（1）定義材料截面特性：在混凝土規(guī)范選擇JTG04（RC），在數(shù)據(jù)庫(kù)選擇欄選擇C50。鋼材定義方法相同。之后定義跨中界面，選擇特定義截面數(shù)據(jù)對(duì)話框 ，在設(shè)計(jì)截面選項(xiàng)卡中，截面類型選擇單箱單室。在截面偏心選擇中-上部，點(diǎn)擊適用。支點(diǎn)截面操作方法相同。

（2）建立節(jié)點(diǎn)單元：選擇導(dǎo)入AutoCad DXF文件，選擇需要導(dǎo)入的dxf文件 ，導(dǎo)入縱梁圖層 ，選擇 C50材料，跨中截面點(diǎn)擊確定。

（3）定義跨度信息，選擇全部節(jié)點(diǎn)單元，修改支承位置。然后定義界面，選擇標(biāo)準(zhǔn)截面-支點(diǎn)界面，分別編輯上翼緣厚度、下翼緣厚度、腹板坡度、腹板厚度等界面尺寸參數(shù)。

（4）添加靜力荷載：添加自重，設(shè)置sz=-1.04，日照升溫和日照降溫分別為20T和-20T。

（5）添加邊界條件：定義支座底節(jié)點(diǎn)，添加一般支承。

（6）添加移動(dòng)荷載：移動(dòng)荷載選擇China規(guī)范，添加車道線，命名車道名稱車道1，設(shè)置車輪間距為1.8m，比例系數(shù)為1，車輛移動(dòng)方向?yàn)橥怠Ｖ筇砑榆囕v，選擇，添加標(biāo)準(zhǔn)車輛 CH-CL。最后添加移動(dòng)荷載工況，添加移動(dòng)荷載工況為中載，規(guī)范類型JTG B01-2014，加載車道數(shù)為1。

（7）定義支座沉降：定義荷載工況名稱沉降，依次添加支座沉降為-0.01m。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

箱梁模型我們分別做了兩組，分別以腹板厚度和坡度作為變量。具體為：腹板坡度（底邊/高）為200/1300時(shí)，腹板厚度分別取150、160、170、180、190、200、210（mm）以及腹板坡度（底邊/高）為1/4時(shí)，腹板厚度分別取150、160、170、180、190、200、210（mm）的兩種情況。

經(jīng)軟件計(jì)算，移動(dòng)荷載作用于梁體，使其產(chǎn)生的彎矩和剪力，由于所有箱梁模型的長(zhǎng)度均為30m，所以數(shù)值也是一致的，分別為中心處最大彎矩為：365.93tonf，支承處最大剪力為：54.91tonf。

荷載工況為移動(dòng)荷載加恒載的兩組不同腹板坡度的箱梁最大內(nèi)力數(shù)據(jù)如圖3和圖4所示。

對(duì)比兩組四項(xiàng)數(shù)據(jù)，可獲得腹板厚度與坡度對(duì)梁體內(nèi)力的影響。

4 結(jié)論

通過兩組模型剪力和彎矩的比較，可以較為清晰的看出不同界面尺寸的箱梁在外部移動(dòng)荷載的作用下箱梁內(nèi)力的變化：

（1）在給定的腹板坡度下，所計(jì)算的箱梁彎矩和剪力是對(duì)于變量腹板厚度的增函數(shù)。

（2）腹板坡度對(duì)箱梁內(nèi)力產(chǎn)生影響，腹板坡度越大，箱梁所受剪力和彎矩越大，但腹板坡度有一定的范圍，坡度過大是不合理的。

（3）兩種坡度下箱梁內(nèi)力隨腹板厚度的增加而產(chǎn)生的變化量較為接近。

通過數(shù)據(jù)的對(duì)比，我們能發(fā)現(xiàn)腹板厚度和坡度兩種界面尺寸參數(shù)對(duì)箱梁受力的作用，我們相信深入的探索，將會(huì)對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)、降低造價(jià)、提升性能等諸多研究提供相當(dāng)?shù)膸椭?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]夏禾. 橋梁工程（上冊(cè)）. 高等教育出版社. 2011

[2]鄧楊芳. 優(yōu)化理論及ANSYS程序在橋梁優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[D]. 重慶交通大學(xué). 2009endprint