基于Ansys有限元软件的钢箱梁人行天桥主梁结构安全验算实例分析

赵海艳

摘要：通過对某钢箱梁人行天桥为研究对象，运用桥梁博士V3.5.0软件及Ansys有限元软件，对钢箱梁人行天桥主梁结构的强度、稳定性、挠度及自振频率进行了验算，为类似钢结构人行天桥的结构设计与计算提供依据。

关键词：钢箱梁;人行天桥;稳定性;自振频率;有限元

中图分类号：S611  文献标识码：A  文章编号：1007-9416（2018）10-0000-00

1 引言

随着城市发展进程的加速，城市交通日趋饱和，交通压力逐渐增大，为提高城市路网的通行能力、确保过街行人的安全和城市交通的顺畅通行，人行天桥的建设对车辆运行速度的提高、交通拥挤状况的改善、实现人车的分流等起着至关重要的作用。诸多学者对其进行了大量的研究，目前的研究主要围绕结构振动与稳定性方面开展，尹越应用有限元分析手段对不同质量的车辆撞击钢结构人行天桥的钢柱柱进行了分析、李强通过振动测试分析结合舒适度进行人行天桥综合评价。王力彬以西藏林廓天桥项目为背景，分析了TMD对行人过街天桥的振动控制。本文以某两跨钢箱梁人行天桥为例，在组合荷载作用下，运用桥梁博士及ANSYS有限元模型对人行天桥主梁结构的强度、挠度、自振频率及稳定性进行验算，并对其安全性指标进行了分析。桥梁博士V3.5.0软件如下图1所示。

2 工程介绍与设计标准

本文分析的人行天桥主体结构为钢结构。主桥跨度采用（37+27）m，单箱单室，桥面全宽4.0m，人行道净宽3.5m，两侧设置栏杆宽为0.25m。主梁高度为1.2m。桥下车道最小净空为5.0m，主桥双向横坡为1%，纵坡为0.3%，安全等级为一级。

本文分析的天桥主要荷载设计标准为|：钢材的容重为78.5KN/m3，人群荷载按照规范《城市人行天桥与人行地道技术规范》（CJJ69-95）取值， 主梁材料采用Q345D钢板焊接而成，主梁工厂分段制造，工地安装焊为一体。

具体断面如图2所示。

3 上部结构主梁计算分析

3.1 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行叠加原理的条件。

3.2 上部结构箱梁承载能力验算

有限元模型的建立：利用桥梁博士V3.5.0软件建立该桥上部结构模型，共分为梁单元64个，节点65个，如图3所示。

3.3 材料参数及荷载效应值

模型所选用的材料与实际桥梁一致，主梁材料采用Q345D钢板焊接而成，主梁工厂分段制造，工地安装焊为一体，钢板的弹性模量为2.06x105，容重为78.5KN/103。主桥一期横载为钢箱梁自重，二期横载由桥面铺装、栏杆等自重构成，桥面铺装15.6KN /m，栏杆15.0 KN /m，人群荷载取3.5KN/m。

根据《钢结构荷载规范》（GB50017-2003）第3.2.1条，依据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）第3.2条进行荷载组合进行验算。

3.3.1 强度与挠度

按照根据《钢结构荷载规范》（GB50017-2003）第3.2.1条，按照《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）第3.2条荷载组合下计算，按照规范要求的钢材允许正应力210MPa，使用阶段钢板最大拉应力为59.91MPa<210MPa，最大拉应力满足规范要求;使用阶段钢板最大压应力为35.75MPa<210MPa，满足规范要求。

小箱梁结构跨中部位结构重力产生的挠度为2.12cm，人群荷载产生的最大挠度为2.0cm。人群荷载产生的挠度小于L/600，结构自重+人群荷载跨中产生的最大挠度为4.12cm，大于L/1600=2.18cm，满足使用要求。

3.3.2 自振频率和稳定性

根据《城市人行天桥与人行地道技术规范》（CJJ69-95）的相关规定，人行天桥的自振频率不应小于3Hz。同时本桥桥面宽度较窄，需要用空间程序进行稳定计算。所以用大型通用有限元程序ansys建立模型，进行自振频率和稳定计算。

根据本桥的特点，钢板采用板壳单元（shell64）进行模拟，全桥划分为28830个单元，26124个节点，全桥结构的计算模型如图4所示。

经过用ansys进行模态分析，得出全桥前十阶自振频率如下：

SET   TIME/FREQ    LOAD STEP   SUBSTEP  CUMULATIVE

1  3.4896             1         1         1

2  4.5834             1         2         2

3  5.6657             1         3         3

4  5.9744             1         4         4

5  6.0703             1         5         5

6  6.8936             1         6         6

7  7.2555             1         7         7

8  7.3686             1         8         8

9  7.9804             1         9         9

10  8.4118             1         10        10

从以上计算结果可知，一阶自振频率为3.4896Hz，满足规范要求，如图5所示。

经过用ansys进行屈曲分析，得出全桥前十阶稳定系数如下：

SET   TIME/FREQ    LOAD STEP   SUBSTEP  CUMULATIVE

1  4.9773             1         1         1

2  5.2464             1         2         2

3  6.0312             1         3         3

4  6.1451             1         4         4

5  6.9583             1         5         5

6  6.9800             1         6         6

7  8.0867             1         7         7

8  8.7799             1         8         8

9  8.9355             1         9         9

10  9.3883             1        10        10

一階失稳如图6所示。

从以上计算结果可知，一阶失稳系数为4.9773，达到使用需求。

4 结语

本文通过一实例钢箱梁人行天桥进行验算和分析，其现有设计满足规范要求，通过验算得到如下结论：

（1）本文通过运用桥梁博士V3.5.0软件及ansys有限元软件，在相应荷载组合下，对钢箱梁人行天桥主梁结构的强度、稳定性、挠度及自振频率进行了验算，验算结果满足规范要求，本钢箱梁人行天橋安全可靠。

（2）通过对该钢箱梁的计算，能够为类似钢结构人行天桥的结构设计与计算提供依据。

参考文献

[1]袁腾文.钢箱梁人行天桥承载力检算实例分析[J].公路与汽运，2018，（02）：141-143，148.

[2]赵磊.钢结构人行天桥结构设计简明计算全过程分析[J].山西交通科技，2015，（01）：51-54.

[3]舒琳智.城市钢箱梁人行天桥结构计算分析研究[D].西南交通大学，2013.

[4]《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60_2004）.

[5]《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）.

[6]《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/TB02-01-2008）.

[7]《城市人行天桥与人行地道技术规范》（JJ69-95）.

[8]《建筑钢结构焊接规程》（JGJ81-2002）.

[9]饶志坚.人行天桥动力建模与减振控制[D].华中科技大学，2008.

[10]张金富.无锡市太湖大道人行天桥设计[J].中国市政工程，2007（S2）：20-22，26.

Analysis of Examples of Safety Checking of Main Girder Structure of Steel Box Girder Pedestrian Bridge Based on ANSYS Finite Element Software

ZHAO Hai-yan

（China Railway Construction Suzhou Design and Research Institute Co.， Ltd.， Suzhou Jiangsu 215104）

Abstract： Based on a steel box girder pedestrian bridge as the research object， the strength， stability， deflection and natural frequency of the main girder structure of the steel box girder pedestrian bridge are checked by using the software of Dr. Bridge V3.5.0 and Ansys finite element software， which provides a basis for the structural design and calculation of similar steel structure pedestrian bridge.

Key words： Steel box girder; pedestrian overpass; stability; natural frequency; finite element method