简支钢箱梁钢板的应力分析.doc

简支钢箱梁钢板的应力分析 摘要：本文以简支钢箱梁桥为例，根据空间板壳有限元理论对简支钢箱梁受力进行计算分析，通过对各钢板应力的分析比较，总结本桥的稳定性以及对整体结构的优化建议。 关键词： 钢箱梁 构造拟定 空间有限元分析 正交异性桥面板 应力分析 引言 随着交通工程和市政工程建设的高速发展，桥梁设计水平的提高，越来越多的桥梁采用钢箱梁形式，钢箱梁由于采用钢板材料,结构质量轻、强度高、安装运输方便简捷，且还有梁高度小，工期相对短等优点,因此大跨度桥梁、城市桥梁及人行天桥中常常用到钢箱梁。整体性能出众,外观大方,行车和行走稳定, 跨度大,施工简便,冲击性小,结构较轻,工程造价相对适中都是钢箱梁这种结构形式的优点。钢板作为一种新兴的工程材料在设计中应当充分利用,提高材料的利用率。因此,对钢箱梁的计算应进行系统的分析，通过对钢箱梁结果的分析，进行优化设计，既能保证桥梁的安全稳定性，也可以节约钢材，一举两得。钢箱梁桥的主要材质是钢板，翼缘、腹板、桥面板、横隔板等钢板的厚度和高度相比都非常小，因此钢箱梁可按封闭的薄壁结构，按照钢箱梁的结构理论进行计算分析。现在桥梁设计中是大部分是通过空间板壳有限元的计算理论，在初等梁理论的基础上进行设计的，并通过计入横向弯曲变形、纵向弯曲变形、翘曲变形、扭转等影响后，来真实的反映钢板箱梁的受力特点。本文以35m 的简支钢箱梁为例，对钢箱梁的设计进行简单分析研究。 工程概况 随着经济的发展和汽车保有量的快速提高，核心区内的交通压力越来越大，早晚高峰期间各主要道路交叉口都会出现拥堵现象，降低了出行和办事效率，严重影响了城市经济政治的进一步发展和人民生活品质的提高。因此，改善城市核心城区的交通状况迫在眉睫。需要在各大相交路口架设桥梁，上部结构均采用等截面简支钢箱梁，跨径为一跨 35m，主梁采用全焊钢箱梁，桥面总宽 31m，由相互独立的左、右两幅组成，两幅之间为1米的分隔带，双向6车道，每幅梁全宽15m。其中钢箱梁部分宽10m，人行道侧悬臂3.5米，另一侧悬臂1.5米。单幅横断面图见图 1。 图 1 横断面图 钢箱梁构造 本工程钢箱梁横断面采用单箱三室断面，面板沿径向为1.5%横坡，桥梁中心线处梁高1.8m，底板水平，横坡通过调整腹板及横隔板高度形成。 顶板厚 14mm，顶板纵肋采用刚度较大的“U”形闭口肋，间距550mm，板厚8mm；底板厚 14mm，底板纵肋采用T形肋，间距400mm，T形肋上缘板厚10mm，T形肋竖板厚为8mm；腹板间距 4.33m，板厚 12mm，腹板纵肋采用板式加肋，板式加劲肋厚度为14 mm；两侧悬臂部分采用 “U”形闭口肋。 横隔板共有两种形式：一种为挖空率较大的横隔板，中间留有人孔，主要起到横肋的作用，间距 2m，横隔板板厚 10mm；另一种为端横隔板，只要桥梁两端支座处设置，由于支点处横隔板需要承受较大横向荷载，支点附近横隔板厚度均适当加厚，所以端横隔板板厚 16mm。全桥钢材采用 Q345q-D 钢。为改善箱内防腐条件，钢箱梁两端支点隔板均为全封闭构造，梁端均采用薄钢板封闭。桥面铺装层厚9.5cm的改性沥青SMA混合料。 钢箱梁人行道侧悬臂根部高100cm，端部高30cm。行车道侧悬臂根部高70cm，端部高30cm。纵向每2m左右设一道悬臂梁，其位置与箱内横隔板、竖肋相对应。为保证外形美观，内部防锈，悬臂梁下翼缘之间采用薄钢板焊接封闭。 设计分析理论 本桥通过三体系叠加理论进行钢箱梁设计，其中桥面板是由顶板、纵向加劲肋以及横隔板三部分所组成的正交异性板。桥面板可分为三种结构体系：第一体系，是按平面杆系单元进行连续梁整体计算的主梁体系，由顶板和纵肋组成主梁的上翼缘，作为主梁截面的一部分参与主梁共同受力；第二体系，为桥面体系，由顶板、纵肋以及横隔板组合的结构，承受施加到桥面上的荷载；第三体系，为盖板体系，支承在纵肋和横隔板上的各向同性连续板，承受车轮局部荷载，并把荷载传递给纵肋和横隔板。在实际计算中，应将三种体系下的荷载作用分别进行计算，然后进行应力叠加，但计算过程比较复杂。由于第三体系应力较小，可以忽略不计，因此将第一、第二体系进行叠加，即是全桥的结构所受的应力。因此本用用MIDAS的板壳单元，将桥面和主梁模拟成一个整体进行计算，并同时考虑第一体系的整体受力和第二体系的局部受力的耦合关系，能够比较真实的反映该桥第一体系和第二体系的实际受力情况。因此，MIDAS板壳有限元模型中所得到的应力结果即为桥面板的实际应力，而不需要对三个体系的计算结果再进行叠加计算。 模型的建立 本桥利用Midas Civil 2013对该桥进行模拟计算，利用板单元，将整片梁结构离散为空间板壳单元，建立全桥板壳有限元模型，模型中各钢板厚度均按实际板厚设计截面。为了能够更准确的计算钢梁受力状态，