基于MIDAS的貝雷梁加強(qiáng)處理建模技術(shù)研究

胡幫義，徐學(xué)勇，胡麗珍，劉穎

（1.湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 湖州 313000；2.湖州市綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 湖州 313000）

0 引言

貝雷梁是一種裝配式制式鋼梁結(jié)構(gòu)，具有安裝拆卸方便[1]、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、裝配化施工、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，在路橋施工現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛的應(yīng)用。常用來搭設(shè)臨時(shí)鋼便橋[2]、搭設(shè)橋梁現(xiàn)澆支架[3]、拼裝掛籃[4]及架橋機(jī)等，這些結(jié)構(gòu)的安全直接影響橋梁施工的安全。因此，對(duì)貝雷梁進(jìn)行受力分析及安全計(jì)算具有重要的意義。

目前主流的計(jì)算方法有兩種，一種是簡(jiǎn)化成平面結(jié)構(gòu)手算或局部電算[5]，另一種是采用有限元軟件建立三維空間有限元計(jì)算模型整體計(jì)算[6-7]，從而查看結(jié)構(gòu)的應(yīng)力或內(nèi)力[8]，與容許值進(jìn)行比較。第一種方法具有簡(jiǎn)單快捷的特點(diǎn)，但荷載的計(jì)算往往難以精確計(jì)算。第二種方法可以比較精確模擬結(jié)構(gòu)的受力情況，但是建模較復(fù)雜。但不管哪種方法，都會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)局部受力較大以及應(yīng)力超限的情況。在這種情況下，需要對(duì)貝雷梁支架進(jìn)行加強(qiáng)處理[9]。那么如何對(duì)加強(qiáng)的桿件進(jìn)行建模分析以便合理模擬實(shí)際受力情況，則是一個(gè)值得研究的課題。

本文采用Midas Civil有限元軟件對(duì)對(duì)某貝雷梁進(jìn)行了加強(qiáng)處理有限元建模分析，對(duì)加強(qiáng)弦桿提出了兩種建模方法，對(duì)加強(qiáng)豎桿提出了“以曲代直”的建模方法，可為類似工程的建模分析提供方法參考。

1 單排貝雷梁受力超限假定

1.1 單排貝雷梁受力工況

大河兜橋邊跨現(xiàn)澆段施工支架采用貝雷梁作為主梁，貝雷梁的驗(yàn)算是保證支架安全的重要因素。初步分析該支架單排貝雷梁受到均布荷載60kN/m，跨度為12m，由4 片貝雷梁拼裝而成。受力形式如圖1所示。

圖1 貝雷梁受力簡(jiǎn)圖

1.2 單排貝雷梁受力計(jì)算

1.2.1 有限元建模計(jì)算

采用Midas Civil 軟件建模計(jì)算，建立了貝雷梁的有限元計(jì)算模型。貝雷梁桿件均采用梁?jiǎn)卧M，共建立了節(jié)點(diǎn)62 個(gè)、梁?jiǎn)卧?04 個(gè)。建立的有限元計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 貝雷梁MIDAS有限元計(jì)算模型

1.2.2 有限元計(jì)算結(jié)果

通過有限元計(jì)算，可以得到貝雷梁的正應(yīng)力如圖3所示。

圖3 貝雷梁正應(yīng)圖（正應(yīng)力，單位：MPa）

由圖3 可知:貝雷梁正應(yīng)力為515.7MPa＞[σ]=305MPa，故貝雷梁不滿足受力要求，需要進(jìn)行加強(qiáng)處理。

值得說明的是，貝雷梁材質(zhì)為16Mn 鋼，對(duì)應(yīng)現(xiàn)在鋼號(hào)為Q345 鋼，查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50013-2017）[10]可知，容許正應(yīng)力為305MPa，容許剪應(yīng)力為175MPa。

為了明確加強(qiáng)處理的方法，需明確上下弦桿和腹桿具體超限的位置和大小。上下弦桿正應(yīng)力如圖4 所示，腹桿正應(yīng)力如圖5所示。

圖4 貝雷梁上下弦桿正應(yīng)圖（正應(yīng)力，單位：MPa）

圖5 貝雷梁腹桿正應(yīng)圖（正應(yīng)力，單位：MPa）

可見貝雷梁弦桿和腹桿應(yīng)力均有超標(biāo)，如何對(duì)上下弦桿和腹桿進(jìn)行加強(qiáng)處理并進(jìn)行有限元合理模擬是一個(gè)值得研究的課題。

2 上下弦桿加強(qiáng)處理

2.1 加強(qiáng)處理方法

結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，工地現(xiàn)場(chǎng)多采用在弦桿上增設(shè)加強(qiáng)弦桿來進(jìn)行加強(qiáng)處理，加強(qiáng)弦桿材質(zhì)、截面和弦桿一致，采用螺栓連接固定在弦桿上。下面采用兩種方法來模擬加強(qiáng)弦桿的建模，以便進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2 單截面模擬加強(qiáng)弦桿法

加強(qiáng)弦桿固定在原來的弦桿上，兩者協(xié)同受力，故可以把兩者看成一根桿件，新桿件的截面為原來弦桿截面的疊加，新截面如圖6所示。

圖6 弦桿新組合截面

2.2.1 有限元計(jì)算模型

在Midas Civil軟件中利用截面特性計(jì)算器，自定義該組合截面進(jìn)行建模計(jì)算，同理可以建立貝雷梁的有限元計(jì)算模型如圖7所示。

圖7 增加加強(qiáng)弦桿后有限元計(jì)算模型

2.2.2 有限元計(jì)算結(jié)果

有限元計(jì)算可以得到貝雷梁弦桿的正應(yīng)力如圖8所示。

圖8 增加加強(qiáng)弦桿后弦桿正應(yīng)力圖

由圖8 可知，弦桿最大正應(yīng)力為185.5MPa＜[σ]=305MPa，故增設(shè)加強(qiáng)弦桿后貝雷梁能夠滿足受力要求。

2.3 雙截面模擬加強(qiáng)弦桿法

加強(qiáng)弦桿固定在原來的弦桿上，兩者協(xié)同受力，可以單獨(dú)用梁?jiǎn)卧獊砟M原來的弦桿和增加的加強(qiáng)弦桿，上下梁?jiǎn)卧g采用剛性連接模擬螺栓連接，該建模方法如圖9所示。

圖9 雙截面模擬加強(qiáng)弦桿方法

2.3.1 有限元計(jì)算模型

同理可以建立貝雷梁的有限元計(jì)算模型如圖10所示。

圖10 增加加強(qiáng)弦桿后有限元計(jì)算模型

2.3.2 有限元計(jì)算結(jié)果

有限元計(jì)算可以得到貝雷梁弦桿的正應(yīng)力如圖11所示。

圖11 增加加強(qiáng)弦桿后弦桿正應(yīng)力圖

由圖11 可知，弦桿最大正應(yīng)力為186.1MPa＜[σ]=305MPa，故增設(shè)加強(qiáng)弦桿后貝雷梁能夠滿足受力要求。

根據(jù)單截面模擬加強(qiáng)弦桿法得到的弦桿最大正應(yīng)力185.5MPa，兩種方法所得結(jié)果誤差僅0.3%，說明兩種方法均較好地模擬了貝雷梁加強(qiáng)弦桿的受力情況。

3 支點(diǎn)處豎桿加強(qiáng)處理

3.1 加強(qiáng)處理方法

結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，工地現(xiàn)場(chǎng)多采用在支點(diǎn)位置增設(shè)1～2 根10#槽鋼加強(qiáng)處理的方式。本貝雷梁采用增加2 根10#槽鋼的辦法加強(qiáng)處理。本文提出“以曲代直”的辦法模擬，具體實(shí)施方法如圖12 所示。AB 為原結(jié)構(gòu)豎桿，A1KB1和A2KB2為兩根加強(qiáng)豎桿，截面為10#槽鋼，當(dāng)AA1、AA2、BB1、BB2的長(zhǎng)度趨于0時(shí)，他們將趨于AB桿實(shí)現(xiàn)協(xié)同受力。本文取AA1=AA2=BB1=BB2=10cm 進(jìn)行建模計(jì)算。

圖12 加強(qiáng)豎桿以曲代直法建模

3.2 有限元計(jì)算模型

同理可以建立增加了加強(qiáng)豎桿的貝雷梁有限元計(jì)算模型如圖13所示。

圖13 增加加強(qiáng)豎桿后有限元計(jì)算模型

3.3 有限元計(jì)算結(jié)果

有限元計(jì)算可以得到增加了加強(qiáng)豎桿后的貝雷梁腹桿正應(yīng)力如圖14所示。

圖14 增加加強(qiáng)豎桿后腹桿正應(yīng)力圖

由圖14 可知，腹桿最大正應(yīng)力為256.8MPa＜[σ]=305MPa，故增設(shè)加強(qiáng)豎桿后貝雷梁能夠滿足受力要求。加強(qiáng)豎桿的正應(yīng)力如圖15所示。

圖15 加強(qiáng)豎桿的正應(yīng)力圖

由圖15 可知，加強(qiáng)豎桿最大正應(yīng)力為148.6MPa＜[σ]=215MPa，故增設(shè)的2道加強(qiáng)豎桿采用10#槽鋼能夠滿足受力要求。

4 結(jié)語

通過結(jié)合貝雷梁加強(qiáng)處理工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和Midas 有限元計(jì)算結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

①針對(duì)貝雷梁弦桿承載能力不足增設(shè)加強(qiáng)弦桿的情況，提出了“單截面模擬加強(qiáng)弦桿法”和“雙截面模擬加強(qiáng)弦桿法”兩種Midas 建模方法，兩種方法有限元建模計(jì)算結(jié)果非常一致，誤差僅0.3%，均較好地模擬了貝雷梁加強(qiáng)處理的協(xié)同受力情況；

②針對(duì)貝雷梁豎桿應(yīng)力超標(biāo)的情況，增設(shè)了10#槽鋼作為加強(qiáng)弦桿，提出了“以曲代直”的建模方法，較好地模擬了加強(qiáng)豎桿的受力情況；

③本文所述貝雷梁加強(qiáng)處理有限元建模方法可為類似工程的有限元建模提供方法參考。