黃金范+許垚+厲凌+梅笑冰+褚貞欽
(上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院 上海)
摘 要:本文研究了混凝土簡支梁橋主梁,主要對象為箱型梁。箱型梁由于其自身截面特點(diǎn)具有承載力較大,抗彎、抗扭性能強(qiáng)切自重小等特點(diǎn),從而被廣泛應(yīng)用。文章以箱梁的腹板坡度以及腹板厚度為變量,借助現(xiàn)代化工具M(jìn)idasCivil結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論,以有限元模擬荷載作用下不同截面參數(shù)的簡支箱梁,得出其受力狀態(tài)。并且將荷載作用相同的不同截面的梁進(jìn)行橫向比較,分析截面參數(shù)的改變對梁受力的影響。
關(guān)鍵詞:箱梁;截面參數(shù);MidasCivil
1引言
簡支體系橋是一端為固定鉸,另一端為可動(dòng)較的結(jié)構(gòu)體系,是橋梁中應(yīng)用最早,使用最廣泛的一種橋型。[1]簡支梁橋受力簡單,跨中只承受彎矩,預(yù)應(yīng)力、收縮徐變、體系溫變等不會(huì)在橋梁中產(chǎn)附加應(yīng)力。由于結(jié)構(gòu)內(nèi)力受到地基變形等因素影響小,對基礎(chǔ)要求低,故適用于我國廣大地區(qū)的復(fù)雜地質(zhì)條件。簡支梁橋相鄰橋孔單獨(dú)受力,所以施工管理簡單且施工費(fèi)用低。簡支梁橋主梁截面形式有肋板、空心板、箱型、組合箱型等。本文的研究對象箱型梁其箱型的截面具有良好的結(jié)構(gòu)性能,有抗扭剛度大、有效抵抗正負(fù)彎矩、施工方便、整體受力、適應(yīng)性強(qiáng)、鋪設(shè)管道方便等特點(diǎn)。隨著橋梁事業(yè)的迅速發(fā)展,對橋梁設(shè)計(jì)提出了更高的要求,傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計(jì)受到?jīng)_擊,導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)分析理論進(jìn)一步發(fā)展。[2]本文以某30米跨徑混凝土簡支箱梁為背景,選定該箱梁的腹板以及腹板坡度為變量,借助Midas有限元軟件對該箱梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能的分析。研究其在相同荷載及外部環(huán)境下,腹板坡度以及腹板厚度的改變對該梁受力情況產(chǎn)生的影響。
2 建立模型
本文主要選取箱梁腹板的坡度和厚度作為設(shè)計(jì)變量,其他截面尺寸作為常量考率。箱梁的截面尺寸如圖1所示。箱梁采用單箱單室結(jié)構(gòu),跨徑30m,梁高1.6m,采用斜腹板,梁底寬1.8m,箱梁頂板寬3.3m,混凝土等級為C50。
使用的工具為Midas Civil,該軟件針對土木結(jié)構(gòu),尤其是分析像箱型橋梁、懸索橋、斜拉橋等特殊的橋梁結(jié)構(gòu)形式,同時(shí)也可以進(jìn)行非線性邊界分析、材料非線性分析、水化熱分析、動(dòng)力彈塑性分析和靜力彈塑性分析等。可以迅速、準(zhǔn)確地完成類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析。
建模步驟:
(1)定義材料截面特性:在混凝土規(guī)范選擇JTG04(RC),在數(shù)據(jù)庫選擇欄選擇C50。鋼材定義方法相同。之后定義跨中界面,選擇特定義截面數(shù)據(jù)對話框 ,在設(shè)計(jì)截面選項(xiàng)卡中,截面類型選擇單箱單室。在截面偏心選擇中-上部,點(diǎn)擊適用。支點(diǎn)截面操作方法相同。
(2)建立節(jié)點(diǎn)單元:選擇導(dǎo)入AutoCad DXF文件,選擇需要導(dǎo)入的dxf文件 ,導(dǎo)入縱梁圖層 ,選擇 C50材料,跨中截面點(diǎn)擊確定。
(3)定義跨度信息,選擇全部節(jié)點(diǎn)單元,修改支承位置。然后定義界面,選擇標(biāo)準(zhǔn)截面-支點(diǎn)界面,分別編輯上翼緣厚度、下翼緣厚度、腹板坡度、腹板厚度等界面尺寸參數(shù)。
(4)添加靜力荷載:添加自重,設(shè)置sz=-1.04,日照升溫和日照降溫分別為20T和-20T。
(5)添加邊界條件:定義支座底節(jié)點(diǎn),添加一般支承。
(6)添加移動(dòng)荷載:移動(dòng)荷載選擇China規(guī)范,添加車道線,命名車道名稱車道1,設(shè)置車輪間距為1.8m,比例系數(shù)為1,車輛移動(dòng)方向?yàn)橥?。之后添加車輛,選擇,添加標(biāo)準(zhǔn)車輛 CH-CL。最后添加移動(dòng)荷載工況,添加移動(dòng)荷載工況為中載,規(guī)范類型JTG B01-2014,加載車道數(shù)為1。
(7)定義支座沉降:定義荷載工況名稱沉降,依次添加支座沉降為-0.01m。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
箱梁模型我們分別做了兩組,分別以腹板厚度和坡度作為變量。具體為:腹板坡度(底邊/高)為200/1300時(shí),腹板厚度分別取150、160、170、180、190、200、210(mm)以及腹板坡度(底邊/高)為1/4時(shí),腹板厚度分別取150、160、170、180、190、200、210(mm)的兩種情況。
經(jīng)軟件計(jì)算,移動(dòng)荷載作用于梁體,使其產(chǎn)生的彎矩和剪力,由于所有箱梁模型的長度均為30m,所以數(shù)值也是一致的,分別為中心處最大彎矩為:365.93tonf,支承處最大剪力為:54.91tonf。
荷載工況為移動(dòng)荷載加恒載的兩組不同腹板坡度的箱梁最大內(nèi)力數(shù)據(jù)如圖3和圖4所示。
對比兩組四項(xiàng)數(shù)據(jù),可獲得腹板厚度與坡度對梁體內(nèi)力的影響。
4 結(jié)論
通過兩組模型剪力和彎矩的比較,可以較為清晰的看出不同界面尺寸的箱梁在外部移動(dòng)荷載的作用下箱梁內(nèi)力的變化:
(1)在給定的腹板坡度下,所計(jì)算的箱梁彎矩和剪力是對于變量腹板厚度的增函數(shù)。
(2)腹板坡度對箱梁內(nèi)力產(chǎn)生影響,腹板坡度越大,箱梁所受剪力和彎矩越大,但腹板坡度有一定的范圍,坡度過大是不合理的。
(3)兩種坡度下箱梁內(nèi)力隨腹板厚度的增加而產(chǎn)生的變化量較為接近。
通過數(shù)據(jù)的對比,我們能發(fā)現(xiàn)腹板厚度和坡度兩種界面尺寸參數(shù)對箱梁受力的作用,我們相信深入的探索,將會(huì)對橋梁的設(shè)計(jì)、降低造價(jià)、提升性能等諸多研究提供相當(dāng)?shù)膸椭?/p>
參考文獻(xiàn):
[1]夏禾. 橋梁工程(上冊). 高等教育出版社. 2011
[2]鄧楊芳. 優(yōu)化理論及ANSYS程序在橋梁優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[D]. 重慶交通大學(xué). 2009endprint