鋼桁架混凝土組合梁橋的力學(xué)數(shù)值模擬

王麗君

（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，江蘇 南京 211156）

0 引言

桁架是工程結(jié)構(gòu)中受力最合理的形式之一，桁架梁橋一般多見(jiàn)于高速公路與鐵路。早期出現(xiàn)的桁架為木結(jié)構(gòu)，由于不防腐、易受潮，修繕較為復(fù)雜，逐漸被淘汰，因而多改為鋼桁架。傳統(tǒng)的純鋼桁架方案，橋面板只作為一種外加荷載對(duì)主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，這種設(shè)計(jì)忽略了橋面板作為結(jié)構(gòu)的受力構(gòu)件和鋼桁架結(jié)合在一起共同受力，結(jié)構(gòu)用鋼量較大，整體剛度和空間穩(wěn)定性也不夠理想，并且橋面需要采用相對(duì)昂貴的環(huán)氧瀝青鋪裝，造價(jià)偏高。為了使傳統(tǒng)鋼桁架橋在結(jié)構(gòu)體系上更趨合理，經(jīng)濟(jì)性能更具競(jìng)爭(zhēng)力，可以通過(guò)剪力連接將混凝土橋面板和鋼桁架上弦桿組合在一起共同受力，形成鋼-混凝土組合桁梁橋[1]。

有限元軟件模擬是鋼桁架-混凝土組合結(jié)構(gòu)空間分析的常用方法，較著名的有ANSYS、ABAQUS等。ABAQUS是一套功能強(qiáng)大的基于有限元法的工程模擬軟件，其解決問(wèn)題的范圍從相對(duì)簡(jiǎn)單的線性分析到最富挑戰(zhàn)性的非線性模擬問(wèn)題[2]。本文采用有限元軟件ABAQUS6.10分別建立鋼桁架混凝土組合梁橋和純鋼桁架梁橋模型，為進(jìn)行組合橋梁力學(xué)性能分析建模提供參考。

1 計(jì)算模擬方法及模型的建立

中鐵大橋局橋梁科學(xué)研究院的譚瑩和田啟賢[3]以蕪湖長(zhǎng)江大橋?yàn)榛A(chǔ)，節(jié)選其中一段建立模型進(jìn)行分析研究。在該分析中，將桁架桿件劃分為梁?jiǎn)卧瑢蛎姘咫x散為板殼單元和塊體元。西南交通大學(xué)的何畏和強(qiáng)士中[4]選取蕪湖長(zhǎng)江大橋的三跨連續(xù)鋼桁架-混凝土組合梁進(jìn)行模擬分析，在該分析中，用空間梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬鋼桁架的各個(gè)構(gòu)件和公路橋面的縱、橫梁體系等。

本文研究對(duì)象為天津?yàn)I海新區(qū)西外環(huán)海河特大橋主橋（95+140+95）m,為上承式鋼桁架-混凝土組合梁橋。上桁架、下桁架為箱型截面，上桁架為等高度箱型截面，下桁架為變高度箱型截面，截面普通段采用20mm的鋼板，下弦桿在中墩局部區(qū)域采用30mm的鋼板。

模型實(shí)驗(yàn)共分兩種情況：第一，純鋼桁架結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)自重+活載（汽車(chē)荷載）下位移和應(yīng)力結(jié)果分析；第二，鋼桁架混凝土組合結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)自重+活載（汽車(chē)荷載）下位移和應(yīng)力結(jié)果分析。對(duì)結(jié)構(gòu)自重（包括結(jié)構(gòu)附加重力），可按結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)尺寸與材料的重力密度計(jì)算確定。橋梁結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算采用車(chē)道荷載，車(chē)道荷載由均布荷載和集中荷載組成。

模型選取橋梁一半結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為二次超靜定兩跨連續(xù)梁，為有多于約束的幾何不變體系。如果荷載移動(dòng)到某個(gè)位置，使某量Z達(dá)到最大值，則此荷載位置稱(chēng)為最不利位置。影響線的一個(gè)重要作用，就是用來(lái)確定荷載的最不利位置。

車(chē)道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)滿(mǎn)布于使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最不利效應(yīng)的同號(hào)影響線上；集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值只作用于相應(yīng)影響線中一個(gè)最大影響線峰值處。

組合桁架為有豎桿三角桁架形式，半結(jié)構(gòu)桁架共分14 個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間距及腹桿高度見(jiàn)圖3；兩片主桁之間相距3.56m。上下弦桿均采用矩形截面，截面尺寸850mm×900mm;豎桿、橫聯(lián)及斜桿均采用矩形截面，截面尺寸400mm×800mm。鋼箱壁厚分30mm、20mm兩種，斜桿和豎桿上端通過(guò)節(jié)點(diǎn)板與上弦桿螺栓連接，下端通過(guò)節(jié)點(diǎn)板與下弦桿螺栓連接。

模型中分別采用B32梁?jiǎn)卧蚐8R5殼單元。一般地，當(dāng)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度方向尺寸遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)方向的尺寸，且只有長(zhǎng)度方向的應(yīng)力比較顯著的情況下，用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬，在ABAQUS中，B32表示二次插值三維梁?jiǎn)卧S梁?jiǎn)卧總€(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，即3個(gè)平動(dòng)自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。所有梁?jiǎn)卧仨毝x橫截面形狀，還有橫截面方向，由于梁?jiǎn)卧目箯澓涂辜粜阅苤饕Q于其橫截面特性（慣性軸、慣性矩、慣性積、面積矩等），因此只有定義了梁截面方位，ABAQUS才能夠確定各種橫截面特性。梁橫截面方位通過(guò)3個(gè)局部坐標(biāo)軸定義，分別是t軸、n1軸、n2軸，n1方向與t方向大致是垂直的。

S8R5屬于小應(yīng)變?nèi)S薄殼單元，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)只有5個(gè)自由度，即3個(gè)平動(dòng)自由度和面內(nèi)2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。所有的殼單元也必須定義橫截面特性，包括殼單元的材料性質(zhì)和厚度，有時(shí)還需要定義局部材料方向。

模型初期，根據(jù)ABAQUS有限元軟件分析問(wèn)題的步驟，計(jì)算相關(guān)參數(shù)，確定模型參數(shù)，隨后建立模型，輸入模型材料特性，如彈性模量、泊松比、剪切模量、密度等。

2 模型尺寸、材料、邊界條件

個(gè)部件，混凝土面板作為一個(gè)部件，生成一個(gè)三維變形的平面線框部件，根據(jù)單元尺寸繪制出單個(gè)桁架，由于兩個(gè)桁架的對(duì)稱(chēng)性，將這個(gè)桁架投影到基準(zhǔn)面上生成另一個(gè)桁架，從而得到整體桁架，再將桁架與混凝土面板進(jìn)行拼裝生成一個(gè)完整的裝配件。

除了初始分析步之外，另建了兩個(gè)分析步，分別用來(lái)進(jìn)行汽車(chē)載荷和重力載荷的加載。邊界條件情況：固定端兩個(gè)支座節(jié)點(diǎn)及桁架底部58個(gè)節(jié)點(diǎn)分別約束X、Y、Z和X、Y方向平動(dòng)自由度，自由端兩個(gè)支座節(jié)點(diǎn)分別約束Y、Z和Y方向平動(dòng)自由度。網(wǎng)格劃分情況：鋼桁架采用三維、細(xì)長(zhǎng)的二次兩單元（B32）模擬，對(duì)所有區(qū)域指定整體剖分?jǐn)?shù)（seed)為5.0；混凝土面板采用8節(jié)點(diǎn)四邊形薄殼，二次縮減積分，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有5個(gè)自由度（S8R5），對(duì)所有區(qū)域指定整體剖分?jǐn)?shù)（seed)為8.0。

純鋼桁架梁橋的模型與鋼桁架混凝土組合梁橋的模型建立基本一致，只是在原有基礎(chǔ)上將混凝土面板換成鋼板，因此須重新定義面板的材料屬性。

3 結(jié)論

本模型包含124個(gè)節(jié)點(diǎn)（焊接點(diǎn)），365個(gè)梁?jiǎn)卧?個(gè)板殼單元，將兩個(gè)桁架結(jié)構(gòu)作為一個(gè)部件，內(nèi)部支撐作為一

本文在基本模型的基礎(chǔ)上，不斷嘗試改變各個(gè)參數(shù)、接觸類(lèi)型以及約束方式，最終建立鋼桁架混凝土組合梁橋模型和純鋼桁架模型。通過(guò)后處理得到了兩者的Mises應(yīng)力及空間位移云圖和X-Y曲線圖，為后期進(jìn)行力學(xué)性能分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。