斜支撐鋼箱梁變形分析

陳 宇，李 晶，李軍衛(wèi)，胡金萍，賀文彪

（黑龍江東方學(xué)院 建筑工程學(xué)部，黑龍江 哈爾濱 150086）

1 鋼箱梁試驗(yàn)與有限元模擬

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

荷載試驗(yàn)的作用和目的是通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的直接加載后進(jìn)行有關(guān)測(cè)試、記錄與分析，為深入探索提供了科學(xué)依據(jù)。箱梁橋試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪怯珊穸葹?mm的Q235鋼板焊成的單室箱梁。三跨連續(xù)梁總長(zhǎng)為4m，計(jì)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(gè)測(cè)點(diǎn)，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(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)采用油壓千斤頂對(duì)試件主跨跨中分級(jí)加載，利用YJ 225靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測(cè)定應(yīng)變值。將百分表對(duì)稱布置在計(jì)算截面，觀測(cè)箱梁加載時(shí)的撓度變化。試驗(yàn)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(dāng)厚度和跨度比小于1／15時(shí)，可以忽略殼體的橫向剪切變形，認(rèn)為是薄殼問(wèn)題，即垂直于殼中面的平面在變形中應(yīng)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(wèn)題。本文采用殼單元S4R5模擬鋼板，實(shí)體單元C3D8模擬支座的墊條。為避免對(duì)塑性材料直接施加點(diǎn)荷載或集中力，施加荷載時(shí)，集中力施加在與頂板建立耦合約束的參考點(diǎn)上。計(jì)算時(shí)計(jì)入幾何非線性和材料非線性，幾何非線性問(wèn)題的模擬只需在前處理分析中設(shè)定幾何非線性的分析項(xiàng)即可實(shí)現(xiàn)，材料非線性問(wèn)題的模擬利用低碳鋼應(yīng)力－應(yīng)變曲線數(shù)值為被測(cè)對(duì)象的名義應(yīng)力和名義應(yīng)變。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置

1.3 試驗(yàn)成果與有限元計(jì)算對(duì)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(yīng)變計(jì)算結(jié)果如表1所示。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算結(jié)果來(lái)看，ABAQUS的薄殼單元和通過(guò)改變支撐方向的支座實(shí)體單元可以很好的模擬鋼箱梁斜橋的靜力學(xué)行為，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。

2 撓曲變形分析

2.1 箱梁變形特點(diǎn)

根據(jù)現(xiàn)有的箱梁研究成果，參考文獻(xiàn)[12]關(guān)于正橋的變形問(wèn)題，箱梁的變形主要有：縱向彎曲變形、剛性扭轉(zhuǎn)、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(jì)算的整體坐標(biāo)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(cè)為邊支點(diǎn)截面，右側(cè)為主跨跨中截面。

圖2 箱梁變形狀態(tài)

橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的容許應(yīng)力法，外力的效應(yīng)值不得大于結(jié)構(gòu)抗力的容許應(yīng)力，容許應(yīng)力是鋼材的名義屈服點(diǎn)除以安全系數(shù)，該安全系數(shù)通常取1.7～2.5?？芍菰S應(yīng)力法保證了鋼結(jié)構(gòu)在使用階段基本處于彈性工作狀態(tài)。有限元計(jì)算結(jié)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(yīng)力較小，主跨最大撓度2.9mm，美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑與橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中撓度準(zhǔn)則規(guī)定的鋼梁撓度限值為計(jì)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(diǎn)位移離散程度很小，截面轉(zhuǎn)動(dòng)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(diǎn)豎向位移離散程度較大，橫斷面繞Z軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，即扭轉(zhuǎn)；靠近斜支撐區(qū)域的橫斷面節(jié)點(diǎn)縱向位移也有一定程度的離散，橫斷面繞Y軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖4中的橫向坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的箱梁位置為：1為靠近主跨支點(diǎn)；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(shí)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(guò)15°后撓度值隨斜率的增大而減小，斜率為45°時(shí)與正橋相比的最大偏差為38.5%。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)模型試驗(yàn)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(jié)論：

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

2）在彈性工作狀態(tài)下，15°和30°斜率下橫截面轉(zhuǎn)動(dòng)微??；45°斜率下邊跨跨中區(qū)域的橫截面扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動(dòng)變形明顯。

3）支撐斜率對(duì)撓度影響較大，斜率為15°時(shí)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(guò)15°后撓度值隨斜率的增大而減?。恍甭蕿?5°時(shí)與正橋相比的最大偏差達(dá)38.5%。

本文分析的斜支撐連續(xù)鋼箱梁變形較為復(fù)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(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形和繞橋面法線方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)變形，在斜橋設(shè)計(jì)與計(jì)算中的這些問(wèn)題應(yīng)該予以重視。

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