钢桁架混凝土组合梁桥的力学数值模拟

实验与研究
0　引言
桁架是工程结构中受力最合理的形式之一，桁架梁桥一般多见于高速公路与铁路。

早期出现的桁架为木结构，由于不防腐、易受潮，修缮较为复杂，逐渐被淘汰，因而多改为钢桁架。

传统的纯钢桁架方案，桥面板只作为一种外加荷载对主体结构产生影响，这种设计忽略了桥面板作为结构的受力构件和钢桁架结合在一起共同受力，结构用钢量较大，整体刚度和空间稳定性也不够理想，并且桥面需要采用相对昂贵的环氧沥青铺装，造价偏高。

为了使传统钢桁架桥在结构体系上更趋合理，经济性能更具竞争力，可以通过剪力连接将混凝土桥面板和钢桁架上弦杆组合在一起共同受力，形成钢-混凝土组合桁梁桥[1]。

有限元软件模拟是钢桁架-混凝土组合结构空间分析的常用方法，较著名的有ANSYS、ABAQUS等。

ABAQUS 是一套功能强大的基于有限元法的工程模拟软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到最富挑战性的非线性模拟问题[2]。

本文采用有限元软件ABAQUS6.10分别建立钢桁架混凝土组合梁桥和纯钢桁架梁桥模型，为进行组合桥梁力学性能分析建模提供参考。

1　计算模拟方法及模型的建立
中铁大桥局桥梁科学研究院的谭莹和田启贤[3]以芜湖长江大桥为基础，节选其中一段建立模型进行分析研究。

在该分析中，将桁架杆件划分为梁单元，将桥面板离散为板壳单元和块体元。

西南交通大学的何畏和强士中[4]选取芜湖长江大桥的三跨连续钢桁架-混凝土组合梁进行模拟分析，在该分析中，用空间梁单元来模拟钢桁架的各个构
件和公路桥面的纵、横梁体系等。

本文研究对象为天津滨海新区西外环海河特大桥主桥（95+140+95）m,为上承式钢桁架-混凝土组合梁桥。

上桁架、下桁架为箱型截面，上桁架为等高度箱型截面，下桁架为变高度箱型截面，截面普通段采用20mm的钢板，下弦杆在中墩局部区域采用30mm的钢板。

模型实验共分两种情况：第一，纯钢桁架结构，在结构自重+活载（汽车荷载）下位移和应力结果分析；第二，钢桁架混凝土组合结构，在结构自重+活载（汽车荷载）下位移和应力结果分析。

对结构自重（包括结构附加重力），可按结构构件的设计尺寸与材料的重力密度计算确定。

桥梁结构的整体计算采用车道荷载，车道荷载由均布荷载和集中荷载组成。

模型选取桥梁一半结构作为研究对象，结构简化为二次超静定两跨连续梁，为有多于约束的几何不变体系。

如果荷载移动到某个位置，使某量Z达到最大值，则此荷载位置称为最不利位置。

影响线的一个重要作用，就是用来确定荷载的最不利位置。

车道荷载的均布荷载标准值应满布于使结构产生最不利效应的同号影响线上；集中荷载标准值只作用于相应影响线中一个最大影响线峰值处。

组合桁架为有竖杆三角桁架形式，半结构桁架共分14个节点，节点间距及腹杆高度见图3；两片主桁之间相距3.56m。

上下弦杆均采用矩形截面，截面尺寸850mm×900mm;竖杆、横联及斜杆均采用矩形截面，截面尺寸400mm×800mm。

钢箱壁厚分30mm、20mm两种，斜杆和竖杆上端通过节点板与上弦杆螺栓连接，下端通过节点板与下弦杆螺栓连接。

模型中分别采用B32梁单元和S8R5壳单元。

一般地，
钢桁架混凝土组合梁桥的力学数值模拟
Numerical simulation of mechanical properties of combing steel truss with concrete bridge
王丽君
（南京航空航天大学金城学院，江苏 南京 211156）
摘要：随着桥梁建设的发展，钢桁架混凝土组合梁桥的优越性逐渐引起人们重视，各国陆续出现大量的此类桥梁。

本文基于有限元软件ABAQUS6.10进行数值模拟分析，采用B32梁单元模拟钢桁架和S8R5壳单元模拟混凝土面板，利用tie约束将两者组合在一起，实现了钢桁架混凝土组合梁桥的模拟，改变面板材料参数，分别输出纯钢桁架与组合桥梁模型，为进行数值模拟力学分析提供参考。

关键词：桁架梁；组合结构；ABAQUS有限元
Abstract: With the development of construction of bridges, the superiority of combine steel truss with concrete bridge gradually attracted the attention of people, and a large number of such bridges also been found in countries. This paper uses the finite element software ABAQUS6.10 for numerical simulation analysis, B32 beam element to simulate steel truss, S8R5 shell element to simulate concrete panel, and the tie constraints to combine both together. It completes simulation of combine steel truss with concrete bridge. Changing the panel material parameters, outputting the model of steel truss and combing steel truss with concrete, it provides reference for numerical simulation mechanics analysis.
Keywords: truss beam; composite structure; ABAQUS finite element
中图分类号：U448　文献标识码：B　文章编号：1003-8965（2019）06-0084-02
作者简介：王丽君（1987-），女，陕西西安人，讲师，主要从事土木工程专业教学与科研。

当结构的长度方向尺寸远大于其他两个方向的尺寸，且只有长度方向的应力比较显著的情况下，用梁单元来模拟，在ABAQUS中，B32表示二次插值三维梁单元，三维梁单元每个节点有6个自由度，即3个平动自由度和3个转动自由度。

所有梁单元必须定义横截面形状，还有横截面方向，由于梁单元的抗弯和抗剪性能主要取决于其横截面特性（惯性轴、惯性矩、惯性积、面积矩等），因此只有定义了梁截面方位，ABAQUS才能够确定各种横截面特性。

梁横截面方位通过3个局部坐标轴定义，分别是t轴、n1轴、n2轴，n1方向与t方向大致是垂直的。

S8R5属于小应变三维薄壳单元，每一个节点只有5个自由度，即3个平动自由度和面内2个转动自由度。

所有的壳单元也必须定义横截面特性，包括壳单元的材料性质和厚度，有时还需要定义局部材料方向。

模型初期，根据ABAQUS有限元软件分析问题的步骤，计算相关参数，确定模型参数，随后建立模型，输入模型材料特性，如弹性模量、泊松比、剪切模量、密度等。

2　模型尺寸、材料、边界条件
本模型包含124个节点（焊接点），365个梁单元，1个板壳单元，将两个桁架结构作为一个部件，内部支撑作为一
个部件，混凝土面板作为一个部件，生成一个三维变形的平面线框部件，根据单元尺寸绘制出单个桁架，由于两个桁架的对称性，将这个桁架投影到基准面上生成另一个桁架，从而得到整体桁架，再将桁架与混凝土面板进行拼装生成一个完整的装配件。

除了初始分析步之外，另建了两个分析步，分别用来进行汽车载荷和重力载荷的加载。

边界条件情况：固定端两个支座节点及桁架底部58个节点分别约束X、Y、Z和X、Y方向平动自由度，自由端两个支座节点分别约束Y、Z和Y 方向平动自由度。

网格划分情况：钢桁架采用三维、细长的二次两单元（B32）模拟，对所有区域指定整体剖分数（seed)为5.0；混凝土面板采用8节点四边形薄壳，二次缩减积分，每个节点有5个自由度（S8R5），对所有区域指定整体剖分数（seed)为8.0。

纯钢桁架梁桥的模型与钢桁架混凝土组合梁桥的模型建立基本一致，只是在原有基础上将混凝土面板换成钢板，因此须重新定义面板的材料属性。

3　结论
本文在基本模型的基础上，不断尝试改变各个参数、
（下转第83页）
按照相应的流程来开展勘探工作，确保勘探的准确性。

与此同时，要加大对资金以及设备的投入力度，使用更加先进的设备来展开勘测工作，进而获得更加准确的测量数据。

此外，还要做好对设备资源、水文、地质的勘测工作，为接下来的施工建设打下良好的基础。

还有，要认真做好对机械设备以及材料的监督管理工作，保障水利水电工程设计工作的有序进行。

3.2　提升相关工作者的综合素质
设计人员作为水利水电工程设计的重要支撑力量，其自身的专业水平以及综合素质直接影响到设计质量以及建设质量。

针对当前设计人员专业水平及综合素质不高的现象，必须认真做好专业技能培训工作，定时定期地进行对地质测量技术、水文测量技术以及剖面设计图纸规划等各方面技能的培训，促进其做设计水平的提升，更加得心应手地参与到接下来的工作中。

与此同时，要定时定期地进行技能比拼活动，以此来创新设计理念。

此外，还要认真做好思想教育工作，切实提高每一名设计人员的专业素养及综合能力，确保其满足水利水电设计要求。

3.3　将工程设计与生态理念实施融合
现阶段，随着我国生态、环保理念的提出，水利水电工程的生态化发展成为必然趋势，同时这也引发了社会各界的关注。

水利水电工程作为城市基础设施建设的重要组成部分，起到了至关重要的作用，在设计的过程中必须充分地考虑生态、旅游等方面的功能。

站在城市水系统角度上来说，自身对于生态系统能够起到良好的调节作用，尤其是能够有效缓解城市热岛效应。

基于此，在实际的设计过程中，就必须充分考虑对河流湖泊的保护，进而实现对生态的有效调节，同时也要重视起水利工程的储水、泄洪功能，以此来实现人与自然的协调发展。

3.4　加强对水利水电工程设计的监管
加强对水利水电工程设计的监管具有重要意义，是确保设计质量的一项重要工作，只有确保各项工作和单元能在合理范围内实施，才能确保设计质量。

基于此，相关监督管理部门必须认真履行自身的职责，做好对设计质量的把关工作，确保前期勘测工作到位。

与此同时，要对整个设计过程进行有效的监督，尤其是要标注注意事项，最大限度确保设计方案的规范性与可行性。

不仅如此，还要做好对设计方案的审核工作，研究分析在设计后期所可能会出现的一系列的问题，为接下来的施工建设打下良好的基础。

4　结语
综上所述，水利水电工程建设作为一项关乎到民生的工作，确保水利水电工程设计质量是保障工程整体建设质量的关键。

针对当前水利水电工程设计工作中存在的一系列问题，我们要积极采取针对性措施，做好上述四个方面的工作，切实提高水利水电工程设计水平，进而更好地保障水利水电工程建设质量，延长使用寿命，为人们提供更加优质的服务，促进水利水电事业的良好发展。

参考文献
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[2]黄粤兴.水利工程设计中的常见问题及解决对策[J].建筑工程技术与设计，2018（06）：2494.
[3]李慧.水利工程设计中的常见问题及解决对策[J].河南水利与南水北调，2015（24）：37-38.
（上接第166页）
图4　结石体试样2000倍扫描电镜图像
本试验分别选取最优配比组合的浆液结石体试样的35倍（如图1）、100倍（如图2）、1000倍（如图3）和2000倍（如图4）SEM扫描电镜图像进行分析研究。

可以看出：从35倍扫描电镜图像看，除了少数孔洞外，浆液结石体整体较为平整，排列紧致，在个别部分可以看到轻微裂隙；从100倍扫描电镜图像中观察到，与35倍图像相比，浆液结石体表面已经不再平整，存在许多凸起的颗粒，而且存在许多细小的由中心向外不规则发散的裂纹；从1000倍扫描电镜图像可以看出，浆液结石体表面凹凸不平，不规则的分布有许多粗细不一的裂纹和裂隙；从浆液结石体2000倍扫描电镜图像可以看到，浆液结石体表面沟壑纵横，表面明显存在许多纵横交错的裂隙。

分析认为，碱激发复合注浆材料在凝结硬化后具有一定的干缩性，结石体的收缩导致了结石体内部的孔隙逐渐扩大、联通，形成了裂隙。

因此，从微观角度分析，可以通过减少浆液结石体表面裂隙来控制碱激发复合注浆材料的性能。

4　结论
基于对湿陷性黄土地区的碱激发注浆材料优化及微观试验研究，得出以下结论：
1）水灰比是影响碱激发复合注浆材料初始粘度、2h析水率、抗压强度和抗折强度的最主要因素。

2）通过对碱激发复合注浆材料凝胶时间和强度性能的分析研究，表明浆液拌合料中粉煤灰和矿粉复掺的填充效应会降低结石体的孔隙率，从而相对提高结石体强度，碱激发复合注浆材料初始的强度主要是由水玻璃和氢氧化钙反应生成的水化硅酸钙提供，后期才是水泥本身的水化起主导作用。

3）利用微观试验对结石体表面结构和组成元素的研究分析得出，结石体内部较为松散，主要由硅酸钙构成，且可以通过减少浆液结石体表面裂隙来控制碱激发复合注浆材料的性能。

4）通过以上试验研究的综合分析，在本试验条件下选择出了浆液配合比最优组合条件为A1B2C3D4，即水胶比0.5，水玻璃掺量20%，矿粉30%，水玻璃40%，减水剂0.5%。

参考文献
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接触类型以及约束方式，最终建立钢桁架混凝土组合梁桥模型和纯钢桁架模型。

通过后处理得到了两者的Mises应力及空间位移云图和X-Y曲线图，为后期进行力学性能分析提供数据基础。

参考文献
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（上接第85页）。