变截面钢箱梁人行天桥的有限元分析

宁鹏刚

1 概述

为了解决行人过街、人车分流问题以及方便建筑物之间的联系，人行天桥在城市交通中的作用日显重要。随着经济和社会的发展进步，人们对城市建设的审美要求日渐提高，人行天桥的设计理念也发生了很大的变化。设计人员开始注重结构细部设计，崇尚以人为本，加强天桥与周边环境的协调一致，在设计中融合体现高技术与新结构的形式美，使天桥成为塑造城市景观的重要元素。同时科学技术的不断发展，新材料、新工艺不断涌现，修建形态优美的人行天桥难度日渐减小，但与常规的桥梁结构体系相比，体型优美的人行天桥结构受力相对复杂，必须通过细致的有限元模拟和分析才能准确确定其受力状况和承载能力。

本文采用壳单元对某变截面钢箱梁人行天桥进行了详细的空间有限元模拟，详细分析了该桥主梁在人群荷载、电梯荷载、栏杆及扶手水平线荷载以及重力等各种荷载组合作用下的受力状况。

2 设计依据

2.1 基本设计资料

人行天桥上部结构采用变截面钢箱梁，梁高800mm，箱梁全宽为4 m，全长22.870 m。箱梁设置预拱度3cm。钢箱梁一端与主梁桥墩顶钢板焊接，另一端简支在车站牛腿上，支座采用GJZ250mm×300mm×47mm板式橡胶支座，环氧树脂与牛腿顶面相贴。桥面和梯道贴防滑地砖;所有钢构件做防锈漆两度，外露部分做防腐涂料。

2.2 基本假定

1)材料在荷载作用下处于小变形和线弹性阶段;2)各种荷载对结构的作用符合线形叠加原理的条件。

2.3 设计规范

设计规范包括:《公路桥涵设计通用规范》《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》《城市人行天桥与人行地道技术规范》《公路桥涵施工技术规范》《钢结构设计规范》。

2.4 荷载组合

图1 几何模型剖视图

图2 边界条件示意图

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为恒载;L为活载;W为风载。

3 有限元分析

3.1 几何模型

本钢结构桥有限元分析的几何建模是通过ABAQUS6.3建立，结构的网格划分、边界条件、荷载施加及结果处理都是通过ABAQUS6.3来完成的。钢结构桥的几何模型根据设计方提供的详细资料建立，如图1所示。

3.2 单元选用

本钢桥结构为箱形截面，板厚与板的尺寸相比很小，故有限元分析采用壳单元，具体为ABAQUS6.8内部的S4R单元。S4R单元为4节点有限应变单元，每个节点有6个自由度，包括3个平动自由度和3个转动自由度。

3.3 材料参数

根据设计方提供的资料，本结构采用的材料为Q345钢材，钢材的弹性模量为2.06×105MPa，质量密度为7850 kg/m3，泊松比为 0.3。

3.4 边界条件及荷载施加

3.4.1 边界条件

本钢桥的钢箱梁一端与桥墩顶钢板焊接，另一端简支在车站牛腿上，支座采用GJZ250mm×300mm×47mm板式橡胶支座，所以为一端固定一端简支。在ABAQUS6.8中模型的边界条件为与桥墩顶钢板焊接部分为固定约束，简支在牛腿上的部分为简支，即约束支座的中轴线，如图2，图3所示。

图3 固定约束

图4 桥面恒荷载

3.4.2 荷载施加

结构的恒载分为结构的自重和桥面恒荷载(砂浆、地砖、栏杆、雨棚、扶梯对桥面荷载)。钢结构自重是通过施加重力加速度来实现的，砂浆地砖荷载通过施加面荷载实现，如图4所示;栏杆荷载为线荷载，在ABAQUS6.8中导为两边的面上均布力来实现，如图5所示;雨棚荷载是通过雨棚柱传递到桥面上，所以施加集中荷载，如图6所示;扶梯及楼梯荷载如图7所示。结构的活荷载为人行荷载。

图5 栏杆荷载

图6 雨棚荷载

图7 扶梯荷载

图8 应力云图剖视图

3.5 分析结果

3.5.1 应力

在最不利荷载组合作用下，用ABAQUS6.8分析得出结构的应力云图。图8为应力云图剖视图。

从图8可以看出:1)在最不利荷载作用下，结构整体应力水平较低，跨中位置全截面mises应力不超过70 MPa。2)结构最大应力为240 MPa，最大应力点在变截面处的加劲肋与横向腹板的交汇处，最大应力点周围应力不超过120 MPa，可以看出最大应力是由应力集中引起的。3)固端支座上方的10个加劲肋应力分布较均匀，且其周围应力分布均匀，应力水平较低，可见加劲肋对该区域的加固作用较明显。

图9 位移云图

图10 位移云图剖视图

3.5.2 位移

图9为最不利荷载作用下结构的位移云图，图10为位移云图剖视图。

从图9，图10中可以看出，在最不利荷载作用下，结构的最大位移发生在简支段的跨中，大小为18mm。

有限元分析表明，在最不利荷载作用下，结构的最大应力发生在应力集中点，大小为240 MPa，除应力集中外的其他区域应力水平较低，应力比在0.4左右;结构的最大位移在简支段的跨中，大小为18mm，位移分布连续。因此，此结构设计满足规范要求。

4 结语

本文讨论了变截面钢箱梁人行天桥空间有限元模拟和分析的方法，准确地验算了主梁的强度、变形等，可为类似结构形式的人行天桥设计研究提供参考。

［1］ GB 50017-2003，钢结构设计规范［S］.

［2］ JTJ 025-86，公路桥涵钢结构及木结构规范［S］.

［3］ CJJ 69-95，城市人行天桥与人行地道技术规范［S］.

［4］ JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范［S］.

［5］ JTJ 041-2000，公路桥涵施工技术规范［S］.

［6］ 程昭波，陈文祥，陈 涛.超长环形连续钢箱梁天桥结构设计要点［J］.山西建筑，2009，35(16):343-344.