连续钢箱梁桥有限元模型的建立及施工阶段应力分析

摘 要：根据X大桥实例，运用有限元软件ANSYS建立西岸水中引桥施工阶段相应工况的精细模型和杆系模型，并对本桥梁施工阶段进行应力分析。

关键词：有限元模型；连续钢箱梁桥；应力分析

1 工程简介

X大桥西岸水中引桥结构形式为等高组合连续箱形梁桥。桥梁全长480m，计算跨径为79.1m+480m+78.1m，双幅布置，道路平曲线为半径的圆弧。单箱单室断面，单幅桥宽17m，中央隔离带0.5m，梁高4m，桥面设置2%的横坡。

钢梁为开口槽形截面，顶板板厚20mm-65mm，宽1.2m；腹板厚度16mm-35mm，曲线内外侧腹板斜率分别为1：2.069和1：2.183；底板板厚14mm-30mm，宽6.6m。根据板厚以及长度的不同，全桥钢梁共分18种类型。腹板水平加劲肋采用板式，纵向间断布置，腹板竖向加劲肋采用T型，仅在支点附近布置；底板纵向加劲肋采用板式，沿桥梁纵向连续布置。在钢梁内部设置横向联结系，全桥包括析架式和隔板式两种类型，除支点位置采用隔板式横向联结系，其余位置均采用析架式。析架式横向联结系的标准间距为4m，由腹板、底板横向加劲肋、顶板横梁、型钢撑杆组成。

2 有限元模型建立

2.1 精细模型

运用有限元软件ANSYS建立西岸水中引桥施工阶段相应工况的精细模型。钢梁顶板、腹板、加劲肋及横向联结系采用she1163单元，网格划分为四边形。梁底混凝土采用solid45单元，网格划分为四面体。网格划分边长控制在30cm以内，保证有限元计算结果的准确性。

全桥钢梁节段类型共18种。在钢梁处于顶推阶段的最大悬臂状态时，有限元模型为板壳元模型。

就钢梁而言，同时承受着自重荷载及前段导梁的作用。为了简化模型，将导梁作为集中荷载施加在钢梁前端截面上，竖向力F=-1095.4kN、弯矩M=-21688.9kN、扭矩T=-1.75kN}m。模型约束条件为，在曲线内外侧顶推设备处，约束竖向平动自由度，沿曲线径向平动自由度。再在顶推设备组3曲线外侧支点处约束沿曲线切向平动自由度。

2.2 杆系模型

运用有限元软件ANSYS建立西岸水中引桥施工阶段相应工况的杆系模型。全桥采用beam 189单元，将单元翘曲自由度开关打开，截面指定为ASEC类，直接输入梁单元的几何特性。单元划分长度为0.7m-3.1m，全桥90%以上的单元长度为1m。由于实桥在支座位置处设置隔板式横向连接，横向刚度大，故在相应节点位置处约束其切向扭转自由度和竖向平动自由度来模拟抗扭支座。抗扭支座内外侧支反力可根据杆系模型相应支点处得到的竖向反力、扭矩以及截面扭心位置确定。整个模型建立在截面扭转中心位置处。钢梁自重和桥面板荷载以均布荷载的形式加载在梁单元上。

在顶推过程处于最大悬臂状态时，在顶推设备处约束梁单元节点竖向平动自由度及切向扭转自由度，再在顶推设备3位置约束切向平动自由度。当桥梁处于顶推完成承受自重荷载阶段，以及混凝土桥面板铺设完成阶段，边界条件是一样的。在永久墩位置约束节点竖向平动自由度及切向扭转自由度，再在pm46位置约束切向平动自由度。

3 施工阶段应力分析

由于所建立的beaml 89单元杆系模型的截面类型是ASEC类，无法直接提取出准确的应力计算结果。可提取出模型计算的梁单元内力值，运用经典的薄壁杆件结构力学即可求得截面任意位置的应力。这里主要介绍薄壁杆件正应力的计算方法。

对于本文研究的开口槽形截面，依据上述公式，可以得到各种类型钢梁所对应的主零点位置及截面各位置处主扇性坐标值。不考虑纵向加劲肋的影响。如图1，主零点S0距梁底板中心线距离为t。计算结果见表1。

4 结束语

（1）在整个施工过程中，无论钢梁处于悬臂状态，还是成为六拷连续梁承受自重荷载，或者与梁底混凝±共同承受桥面板荷载，精细模型作为参考，杆系模型也可W很准确地计算出结构的支反力和变形。准确地模拟出结构的质量和刚度分配W及扭转变形和弯曲变形。结构大部分位置的相对误差可保持在10%以内。（2）相比于精细模型的计算结果，杆系模型在横向连接位置的钢梁应力计算值要大一些，其他位置处钢梁应力计算值接近。也就是说，杆系模型应力计算结果与精细模型应为计算峰值是比较接近的，峰值误差在10%以内。可应用杆系模型的计算结果来掌握实际结构的应力水平。

参考文献

[1]胡少伟.组合梁抗扭分析与设计[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]卢彭真，张俊平.箱梁单元与梁格法在异型桥梁分析中的应用[J].中山大学学报，2008，47（2）：54-57.

[3]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

作者简介：吴文辉（1968，01-），男，湖南长沙人，1989年7月毕业于长沙交通学院，道路与桥梁专业，本科，工程师。