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[物理]第6讲 曲线梁桥空间有限元分析方法—梁格法
* 第6讲 曲线梁桥空间有限元分析方法 ——梁格法 湖南大学土木工程学院桥梁工程系 二O一二年 三月 湖南﹒长沙 主讲:刘志文 湖南大学土木工程学院桥梁工程系 内容简介 梁格法的基本原理及划分原则 不同结构型式的曲线梁桥网格划分方法 箱梁剪力柔性梁格法 曲线连续梁桥空间有限元分析梁格法 湖南大学土木工程学院桥梁工程系 曲线梁桥空间梁格法虽然是一种空间分析法,但由于其具有基本概念清晰,易于理解和使用,计算费用较省,应用范围广等特点,在桥梁设计中得到了广泛的应用。 空间梁格法的基本思路:就是用一个等效梁格来代替实际桥梁上部结构。其物理意义是:假定把分散在桥梁上部结构的每一部分的弯曲与扭转刚度集中到与其相邻的梁格内,确保等效后的梁格与实际桥梁在相同的荷载作用下恒具有相同的挠度,且任一梁格内弯矩、剪力和扭矩应等于该梁格所代表的实际结构部分的内力。(只能是近似的,原因如下:) 1.梁格法的基本原理及划分原则 湖南大学土木工程学院桥梁工程系 1)梁格法中任意梁内的弯矩严格与其曲率成正比,而在原结构如板结构中,任一方向上的弯矩和该方向的曲率以及与该方向正交方向的曲率有关。 2)实际板结构中,任一单元的平衡要求扭矩在正交方向上是相等的,而且扭率在正交方向上也是相同的。在等效梁格中,由于两类结构的特性不同,无法使扭矩和扭率在正交方向的节点上相等,然而梁格网格细密时,梁格随着挠曲而成一曲面,在正交方向上可近似相等。 梁的弯矩—曲率方程: 板的弯矩—曲率方程: 湖南大学土木工程学院桥梁工程系 实际桥梁工程中,有板式结构的上部结构,因此简要介绍该种结构如何进行梁格法的简化。 利用刚度等效的原则对板式结构进行梁格划分时,由于上部结构截面形状和支点布置方式的多样化,网格划分很难得到统一规律,一般根据结构布筋方向及结构形式来决定。 不同型式的桥梁结构形式,其网格划分的方法不同,但大致遵循以下几个原则: 1)梁格的纵、横向构件应与原结构梁肋(或腹板)的中心线重合,通常沿 弧向和径向设置; 2)每跨应至少分成4~6段,一般应分成8段或更多,以保证具有足够的精度; 3)连续弯梁桥的中间支承附近因内力变化剧烈,一般应加密网格; 4)横向和纵向构件的间距必须接近相同,使荷载静力分布较为灵敏。 湖南大学土木工程学院桥梁工程系 2. 不同结构型式的曲线梁桥网格划分方法 湖南大学土木工程学院桥梁工程系 2.1 曲线板桥 湖南大学土木工程学院桥梁工程系 2.2 肋板式曲线梁桥 湖南大学土木工程学院桥梁工程系 2.3 箱形曲线梁桥 箱形曲线梁桥因其受力性能的特点,通常采用所谓的“剪力柔性梁格”来模拟,其纵向构件轴线一般均与腹板的中心线相重合,这样可使腹板的剪力直接由所在位置的梁格构件的剪力来代表。此外,还需要沿两侧悬臂边翼缘设置纵向构件,这样可以在输入电算数据时简化编制悬臂部分荷载,否则这部分荷载难以处理,下图所示为箱形断面的梁格划分图式。 湖南大学土木工程学院风工程试验研究中心、桥梁工程系 箱形截面典型梁格划分图式 湖南大学土木工程学院桥梁工程系 湖南大学土木工程学院桥梁工程系 3. 箱梁剪力柔性梁格法 对于多室箱梁上部结构,剪力柔性梁格法是最适宜的,它可以用于仅一个或几个格室的结构及具有斜腹板的上部结构。上部结构可以是平面上也可以是曲线或是变宽度的。 3.1 梁格网格划分 (一) 等宽多室箱梁结构 用梁格法模拟箱梁结构时,假定梁格网格在上部结构弯曲的主轴平面内,纵向构件的位置均与纵向腹板相重合,这中布置可使腹板剪力直接由横截面上同一点的梁格剪力来表示,如图2-2。在悬臂板边缘纵向设置一个纵向构件,以便于计算悬臂处的荷载。 对于单箱单室横向施加预应力的截面或双箱截面,在顶板上应增设纵向梁格构件,用虚拟构件改善上部结构内的静力分布,其设置方式与板式结构相同。 湖南大学土木工程学院桥梁工程系 图2-2 箱梁结构的模拟梁格 湖南大学土木工程学院桥梁工程系 对于具有斜腹板的上部结构,代表斜腹板的梁格的位置具有一定的随意 性,一般而言将斜腹板对应的梁格设置在水平投影的中心处,可以得到 满意的结果。 横向梁格设置应视结构的实际情况来确定,若横隔板相当多,这时横 向构件应与横隔板重心重合。若横隔板间距较大,则必须增加横向虚 拟梁格,其间距一般为反弯点之间距离的1/4。 (二)曲线型箱梁结构 可以采用图2-3所示的曲线梁格或直线梁格来模拟。 图2-3 曲线梁桥梁格 湖南大学土木工程学院桥梁工程系 3.2 纵向梁格构件刚度确定 1)纵向梁格构件的弯曲刚度 如图2-4所示,将箱梁在腹板之间切开,此时各工字梁的重心将不在同一水平线上,这与实际结构是不
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