陳 宇，李 晶，李軍衛(wèi)，胡金萍，賀文彪

（黑龍江東方學院 建筑工程學部，黑龍江 哈爾濱 150086）

1 鋼箱梁試驗與有限元模擬

1.1 試驗模型

荷載試驗的作用和目的是通過對橋梁結構的直接加載后進行有關測試、記錄與分析，為深入探索提供了科學依據(jù)。箱梁橋試驗模型是由厚度為4mm的Q235鋼板焊成的單室箱梁。三跨連續(xù)梁總長為4m，計算跨徑1m＋2m＋1m，梁高0.12m，橋面寬 0.272m，加勁肋與橫隔板間距0.25m。在箱梁頂面、底面和腹板布置17個測點，如圖1所示。在主跨跨中和1／4、1／8、3／8截面處以及邊跨跨中都布置了測點。試驗采用油壓千斤頂對試件主跨跨中分級加載，利用YJ 225靜態(tài)電阻應變儀測定應變值。將百分表對稱布置在計算截面，觀測箱梁加載時的撓度變化。試驗建立了0°、15°、30°、45°共4種不同斜交角的支座支撐條件。

1.2 有限元模擬

利用ABAQUS的殼單元模擬鋼箱梁截面。特殊用途殼單元分為兩類：薄殼單元和厚殼單元。當厚度和跨度比小于1／15時，可以忽略殼體的橫向剪切變形，認為是薄殼問題，即垂直于殼中面的平面在變形中應保持垂直于殼中面。模型的鋼板厚度僅為4mm，且梁體以受彎為主，鋼板在變形中橫向剪切變形的影響極小，屬于薄殼問題。本文采用殼單元S4R5模擬鋼板，實體單元C3D8模擬支座的墊條。為避免對塑性材料直接施加點荷載或集中力，施加荷載時，集中力施加在與頂板建立耦合約束的參考點上。計算時計入幾何非線性和材料非線性，幾何非線性問題的模擬只需在前處理分析中設定幾何非線性的分析項即可實現(xiàn)，材料非線性問題的模擬利用低碳鋼應力－應變曲線數(shù)值為被測對象的名義應力和名義應變。

圖1 測點布置

1.3 試驗成果與有限元計算對比

斜率為0°、15°、30°、45°的情況下，在主跨跨中橋面中心的集中力作用下的撓度和底板應變計算結果如表1所示。從試驗數(shù)據(jù)與有限元計算結果來看，ABAQUS的薄殼單元和通過改變支撐方向的支座實體單元可以很好的模擬鋼箱梁斜橋的靜力學行為，有限元計算結果與試驗數(shù)據(jù)吻合較好。

2 撓曲變形分析

2.1 箱梁變形特點

根據(jù)現(xiàn)有的箱梁研究成果，參考文獻[12]關于正橋的變形問題，箱梁的變形主要有：縱向彎曲變形、剛性扭轉、畸變和橫向翹曲，如圖2所示。

2.2 斜支撐箱梁變形分析

有限元計算的整體坐標系為：X軸是梁的橫向方向；Y軸是箱梁頂板的法線方向；Z軸是梁的縱向方向。圖3中各圖左側為邊支點截面，右側為主跨跨中截面。

圖2 箱梁變形狀態(tài)

橋梁鋼結構設計采用的容許應力法，外力的效應值不得大于結構抗力的容許應力，容許應力是鋼材的名義屈服點除以安全系數(shù)，該安全系數(shù)通常取1.7～2.5。可知容許應力法保證了鋼結構在使用階段基本處于彈性工作狀態(tài)。有限元計算結果表明，在集中力25kN的中心荷載作用下，跨中附近箱梁底板和頂板應力較小，主跨最大撓度2.9mm，美國鋼結構建筑與橋梁設計標準中撓度準則規(guī)定的鋼梁撓度限值為計算跨徑的1／800，連續(xù)鋼箱梁處于彈性工作狀態(tài)。由圖3（a）、（b）、（c）、（d）可以看出15°和30°斜率下相同橫斷面上的節(jié)點位移離散程度很小，截面轉動微小。由圖3（e）、（f）可以看出45°斜率下邊跨跨中區(qū)域的橫斷面節(jié)點豎向位移離散程度較大，橫斷面繞Z軸發(fā)生轉動，即扭轉；靠近斜支撐區(qū)域的橫斷面節(jié)點縱向位移也有一定程度的離散，橫斷面繞Y軸發(fā)生轉動。

圖4中的橫向坐標對應的箱梁位置為：1為靠近主跨支點；2為主跨1／8截面處；3為主跨1／4截面處；4為主跨3／8截面處；5為主跨1／2截面處。偏心荷載的偏心距為40mm。由圖4可以看出，斜率為15°時與正橋相比撓度十分接近，最大偏差僅為10%；斜率為30°與45°的撓度較為接近，最大偏差為14.3%；撓度偏差隨著斜率增大而增大，斜率超過15°后撓度值隨斜率的增大而減小，斜率為45°時與正橋相比的最大偏差為38.5%。

3 結 論

通過對模型試驗數(shù)據(jù)與有限元模擬分析比較，三跨連續(xù)鋼箱梁在不同支撐斜率下的變形有如下結論：

1）在中心荷載作用下，斜支撐連續(xù)梁發(fā)生扭轉變形和繞橋面法線方向發(fā)生轉動變形。

2）在彈性工作狀態(tài)下，15°和30°斜率下橫截面轉動微??；45°斜率下邊跨跨中區(qū)域的橫截面扭轉變形以及靠近斜支撐區(qū)域的橫斷面繞橋面法線方向發(fā)生轉動變形明顯。

3）支撐斜率對撓度影響較大，斜率為15°時與正橋相比撓度十分接近，斜率為30°與45°的撓度較為接近；撓度偏差隨著斜率增大而增大，斜率超過15°后撓度值隨斜率的增大而減??；斜率為45°時與正橋相比的最大偏差達38.5%。

本文分析的斜支撐連續(xù)鋼箱梁變形較為復雜，雖然主跨撓度值隨斜率增加有所減小，但在非偏心荷載作用下斜支撐連續(xù)鋼箱梁會產(chǎn)生扭轉變形和繞橋面法線方向發(fā)生轉動變形，在斜橋設計與計算中的這些問題應該予以重視。

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