钢箱梁桥的有限元分析.doc

钢箱梁桥的有限元分析 1．钢箱梁桥的概述 在大跨度桥梁的设计中，恒载所占的比重远大于活载，随着跨度的增大，这种比例关系也越来越大，极大地影响了跨越能力。因此，从设计的经济角度来说，考虑减轻桥梁结构的自重是很重要的。钢材是一种抗拉、抗压和抗剪强度均很高的匀质材料，并且材料的可焊性好，通过结构的空间立体化，钢桥能够具有很大的跨越能力。 随着高强度材料和焊接技术的发展，以及桥梁设计、计算理论的发展和计算机技术发展，从50年代以来，钢梁桥地建设取得了长足的发展，欧洲相继建造了多座大跨钢桥。从前被认为不可能计算的复杂结构，现在能够通过计算机完成，并且计算结果与实测结果吻合较好。同过去相比，在相同的跨度与宽度的条件下，用钢量可减少15一20 %，工期与工程的造价也都减少很多，因此钢桥在大跨桥梁领域内具有相当强的优势和竞争力。 在构成钢桥的主要构件中，其翼缘和腹板均使用薄板，其厚度与构件的高度和宽度比都比较小，是典型的薄壁构件。它与以平面结构组合为主的桥梁结构分析有一定的区别，它涉及到很多平面结构中不常考虑的扭转问题，所以必须依据薄壁结构理论才能明了其应力和应变状态，其应力及变形应按照薄壁结构的理论进行计算。 由于钢箱梁桥是空间结构，结构在恒载或活载的作用下会发生弯一扭藕合。如果采用传统的计算手段和方法，计算模型要进行必要地简化，为了简化计算，一般的设计规范都要通过构造布置，使实际结构满足简化后的计算理论。实践表明在满足构造要求后，计算的精度能够满足实际地需要。但是这样的计算无法得到结构的一些特定部位的精确解，例如变截面和空间构件交汇的部位等。随着计算机技术和有限元理论的发展和进步，计算机的有限元法己成为现代桥梁的重要计算手段，不但有很高的效率而且可以根据实际的需要进行仿真分析，计算结果经验证与结构的实际结果吻合较好。当前结构的计算机仿真分析已成为一种广为应用的计算手段。 同一座桥梁可以采用不同的施工方法，但是成桥后的最终应力状态会有差异，结构的最终应力状态与安装过程密不可分。例如连续梁可采用满堂支架法和悬臂拼装法，两者成桥后的应力状态却有较大的区别。因此必须针对特定的施工方法，对施工过程中每一个施工阶段的结构应力进行计算，确保各个阶段的应力满足相关规范。 由于在制造和安装等原因，结构的最终状态会与设计状态有一定的差异，各国都通过制订有相关的规范来指导施工和竣工验收的标准。这些标准规是通过长期的实践与试验以及计算分析的基础上得出的，满足这些相关规范的要求一般就可以保证结构的安全性。但是由于实际结构是受力复杂的空间结构，特别是结构的一些局部范围可能在某一工况下处于较高的应力状态，而其他部为却处于相对较低的应力状态，这样不利于充分发挥材料的力学性能。现在可以通过大型通用有限元软件对大桥在使用过程中可能存在的各个工况的受力状态进行仿真分析，确定出结构不利的部位以及富余较大的部位，便于调整设计。 1.1本论文的研究目的 常用的计算机方法是将主梁转换成具有等效截面的梁单元计算，这种方法能够较好的从整体上考虑结构的空间特点，虽然也反映了空间结构的特点，但是它也存在以下明显的不足： 1. 不能准确模拟边界条件。例如支点的约束，梁单元通常只能简化为一点的约束，但是不管什么样的约束实际结构总是以面接触来实现的; 2. 平截面假定; 3. 对构件的一些细部构造不能够真实反映(如变截面问题、畸变、横隔板的作用等); 4. 作为空间结构全桥各组成体系间的互相作用难以准确考虑。 基于以上原因，若想准确详尽地模拟全桥并得到相对精确的计算结果，需要结合桥梁的特点采用合适的单元类型，钢桥仿真通常采用板桥单元或实体单元。本论文将根据有限元法的理论，采用板壳单元，结合一座三跨连续钢箱梁，进行仿真分析。 1.2 钢箱梁桥的结构特点 现代钢桥从截面形态分主要有以下几种形式:板梁桥、精梁桥和箱梁桥。箱梁桥是具有薄壁闭口截面主梁的桥梁的总称。钢箱梁以带有加劲肋的钢板做成四壁，在转角处互相焊接成为整体。和混凝土箱梁不同，钢箱梁的腹板、顶板和底板很薄而且刚度不大，同时焊接强度有限，所以不适宜承受大的局部弯曲。因此必须采取加劲肋措施，一般称之为正交异性板。但是这样连续的钢箱梁主截面只能承受纵向弯曲应力和剪应力，无法抵抗扭转和畸变，因此需要沿顺桥向每隔一定间距沿横向布置整块钢板形成横隔板抵抗扭转和畸变，保持箱梁的轮廓。由于箱梁壁板不厚，加劲材料不论是纵向加劲肋还是横隔板，还是不能均匀分布扭转产生的单位应力，但是钢材是一种容易实现应力重分布的材料，按照以上的布置仍能够作出合理的设计。钢箱梁桥由钢板组合而成，截面组成形式比较灵活，一般根据桥面的宽度和跨度以及活载的大小决定各个板的厚度和构造形式。如单箱单室和单箱多室，多箱单室和多箱多室，具