钢混结合段分析报告-midas FEA

1.2 计算依据《工程建设标准强制性条文（城市建设部分）》（建标[2002]202号）《城市桥梁设计规范》）（CJJ11-2011）《城市桥梁抗震设计规范》(CJJ 166-2011)《公路路基设计规范》（JTG D30-2004）《公路工程技术标准》）（JTGB01-2003）《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63-2007)《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60-01-2004)《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ025-86)《桥梁结构用钢》(GB/T714-2000)《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB 10002.2-2005）《公路圬工桥涵设计规范》（JTG D61-2005）《公路钢管混凝土拱桥设计规范》（CQJTG/T D66-2001）1.钢混结合段模型计算1.1节段模型的建立考虑圣维南原理对局部分析部位的影响，钢混结合段拱肋节段长度为7.6m，其中嵌入拱脚混凝土2m，拱脚混凝土按照图纸实际尺寸全部建立，节段模型示意图如图2.1.1所示。

图2.1.1 节段模型示意图（单位：mm）模型的计算采用大型有限元软件midas-FEA，混凝土采用3D实体单元，肋板、垫板、承压板采用2D板壳单元，不考虑拱脚、拱肋混凝土与拱肋钢板之间的滑移，建模中混凝土与拱肋钢板完全共节点处理，混凝土采用8节点六面体单元+6节点五面体单元，拱肋钢板采用4节点2D单元，模型中未考虑普通钢筋以及Y构前悬臂进入拱脚内部的预应力钢束。

模型边界条件为：拱脚底部完全固结处理（如图2.1.2所示），即拱脚底部节点约束X方向（纵桥向），Y方向（横桥向），Z方向（竖向）的位移，其中Y 轴的负方向指向为（中分带侧→人行道侧）。

图2.1.2 万平路桥钢混结合段有限元模型加载方法为：拱肋端部形心位置建立一个主节点，拱肋端部截面的节点为从属节点，两者之间建立主从约束（刚臂连接—见图2.1.2所示），将midas Civil 杆系模型中各种工况组合下对应的荷载（力及力矩）作为实体有限元模型的边界荷载施加在主节点上，荷载大小见下表。

表2.1.1 荷载工况组合下最不利荷载值模型中拱脚混凝土和钢管拱内混凝土采用C50混凝土，其各项力学参数为：弹性模量：3.45×104 MPa，剪切模量：1.38×104 MPa，轴心抗压强度设计值：f cd=22.4 MPa，轴心抗拉强度设计值：f td=1.83 MPa，泊松7比：0.2，线膨胀系数：1.0×10-5/℃，容重：γ=26.0 kN/m3，拱脚及钢管拱内混凝土有限元模型如图2.1.3所示图2.1.3 拱脚及拱肋混凝土有限元模型模型中拱肋采用Q345D 等级钢材，其各项力学参数为：弹性模量：2.06×105 MPa，剪切模量：7.9×104 MPa，泊松比：0.3，线膨胀系数：1.2×10-5/℃，密度：ρ=7.85×103 kg/m3，板厚≤16mm，抗拉、抗压、抗弯强度为315MPa, 抗剪强度185MPa。

拱肋N1/N2、纵肋N3、腹板端钢板N9、底座钢板N8、拱脚加强钢板N1有限元模型如图2.1.4所示图2.1.4 拱肋、纵肋、腹板端钢板、底座钢板、拱脚加强钢板有限元模型1.2基本组合（全部）钢混结合段应力分布①、拱脚混凝土应力分布基本组合下，拱脚混凝土纵桥向最大拉应力为2.507MPa，超过了C50抗拉强度设计值1.83MP，最大压应力为17.241MPa（出现在拱肋与拱脚交界面的位置），小于C50抗压强度设计值22.4 MPa。

拉应力在0.039MPa～2.507MPa仅有2.4%的区域，97.3%的区域应力水平在-7.367MPa～0.039MPa之间。

图2.2.2 基本组合（全部）拱脚混凝土横桥向应力云图基本组合下，拱脚混凝土横桥向最大拉应力为 3.077MPa（ANSYS模型中该位置处应力为3.503MPa），超过了C50抗拉强度设计值1.83MP，最大压应力为8.185MPa。

小于C50轴心抗压强度设计值22.4 MPa。

图2.2.3 基本组合（全部）拱脚混凝土竖向应力云图基本组合下，拱脚混凝土竖向最大拉应力为13.259MPa，出现在拱脚底面（拱肋内倾的反方向）。

ANSYS中该位置处12.171MPa。

远远超过了C50抗拉强度设计值1.83MP。

但应力云图中仅有1%的区域应力水平介于0.847MPa～13.259MPa之间。

图2.2.4 基本组合（全部）拱脚混凝土主拉应力云图基本组合下，拱脚混凝土主拉应力峰值为13.684MPa，出现在拱脚外侧（拱肋内倾的反方向）。

ANSYS中该位置处12.606MPa。

远远超过了C50抗拉强度设计值1.83MP。

从应力云图分布可以看出，有21.2%的区域主拉应力水平介于1.757MPa～13.259MPa。

图2.2.5 基本组合（全部）拱脚混凝土主压应力云图基本组合下，拱脚混凝土主压应力峰值为27.229MPa，出现在拱肋与拱脚交界面的位置，该峰值应力超过了C50抗压强度设计值22.4 MPa。

但从应力云图分布可以看出，仅有不到2.5%的区域主拉应力水平介于-8.839MPa～-27.229MPa之间。

（应力集中区域）②、拱肋混凝土应力分布图2.2.6 基本组合（全部）拱肋混凝土纵桥向应力云图基本组合下，拱肋混凝土纵桥向拉应力峰值为0.036MPa，压应力峰值为17.568MPa出现在拱肋与拱脚交界面的位置，从应力云图分布可以看出，99.3%的区域压应力水平介于-1.064MPa～-17.568MPa之间，拱肋混凝土几乎全部受压。

图2.2.7 基本组合（全部）拱肋混凝土横桥向应力云图基本组合下，拱肋混凝土横桥向拉应力峰值为3.152MPa，压应力峰值为11.635MPa，均出现在拱肋与拱脚交界面的位置，从应力云图分布可以看出，仅有0.1%的区域拉应力水平介于2.228MPa～3.152MPa之间，29.9%区域应力水平介于0.379MPa～2.228MPa之间，剩下区域全部受压。

图2.2.8 基本组合（全部）拱肋混凝土竖应力云图基本组合下，拱肋混凝土竖向拉应力峰值为0.066MPa，压应力峰值为17.115MPa出现在拱肋与拱脚交界面的位置，从应力云图分布可以看出，仅有 3.2%的区域拉应力水平介于-1.008MPa～0.066MPa之间，95.4%区域应力水平介于-9.598MPa～-1.008MPa之间，1.3%的区域应力水平介于-9.598MPa～-17.115MPa之间。

图2.2.9 基本组合（全部）拱肋混凝土主拉应力云图基本组合下，拱肋混凝土主拉应力峰值为3.948MPa，从应力云图分布可以看出，仅有1.2%的区域拉应力水平介于1.874MPa～3.948MPa之间。

基本组合下，拱肋混凝土主压应力峰值为27.870MPa出现在拱肋与拱脚交界面的位置，从应力云图分布可以看出，仅有7.2%的区域压应力水平介于19.226Pa～27.870MPa之间。

③、拱肋、纵肋、腹板端钢板、底座钢板、拱脚加强钢板应力分布图2.2.11 基本组合（全部）腹板端钢板N9、底座钢板N8应力云图基本组合下，腹板端钢板N9、底座钢板N8(BOT)最大MISES应力为23.536MPa，(TOP)最大MISES应力为25.045MPa，小于容许应力。

图2.2.12 基本组合（全部）拱脚加强钢板N1应力云图基本组合下，拱脚加强钢板N1(BOT)最大MISES 应力为54.162MPa ，(TOP)最大MISES 应力为60.697MPa ，小于容许应力。

图2.2.13 基本组合（全部）拱肋钢板N1应力云图基本组合下，N1(BOT)最大MISES 应力为179.993MPa ，(TOP)最大MISES 应力为154.704MPa ，小于容许应力。

图2.2.14 基本组合（全部）拱肋钢板N2应力云图基本组合下，拱肋钢板N2 N1(BOT)最大MISES 应力为127.621MPa ，(TOP)最大MISES 应力为125.668MPa ，小于容许应力。

图2.2.15 基本组合（全部）纵肋钢板N3应力云图基本组合下，纵肋钢板N3(BOT)最大MISES 应力为158.475MPa ，(TOP)最大MISES 应力为158.954MPa ，小于容许应力。

1.3 标准组合（全部）钢混结合段应力分布①、拱脚混凝土应力分布图2.3.1 标准组合（全部）拱脚纵桥向应力云图标准组合下，拱脚混凝土纵桥向峰值拉应力为1.995MPa（备注：出现拉应力原因主要是因为在拱肋强大的推力作用，拱脚混凝土为限制拱肋沿X轴反方向的变形），该峰值应力超过了抗拉强度设计值1.83MP，但应力水平介于0.940MPa～1.995MPa仅有0.1%的区域，最大压应力为14.875MPa（出现在拱肋与拱脚交界面的位置），小于轴心抗压强度设计值22.4 MPa，95.8%的区域应力水平介于-7.494MPa～-1.139MPa之间，拱脚混凝土纵桥向几乎全部受压。

图2.3.2 标准组合（全部）拱脚横桥向应力云图标准组合下，拱脚混凝土横桥向峰值拉应力为2.690MPa（拱肋的冲切造成的，ANSYS 模型中该处应力为3.304MPa），超过了C50抗拉强度设计值1.83MP，但仅有0.3%的区域应力水平介于1.466MPa～2.690MPa之间，最大压应力为-7.104MPa，小于C50抗压强度设计值22.4 MPa。

图2.3.3 标准组合（全部）拱脚竖向应力云图标准组合下，拱脚混凝土竖向拉应力峰值为10.640MPa（由拱肋内倾变形造成的，ANSYS模型中该处的应力为9.739MPa），峰值压应力为-17.442MPa（出现在拱肋与拱脚交界面的位置），仅有0.4%的区域应力水平介于 1.864MPa～7.129MPa之间，应力水平介于7.129MPa～10.640MPa之间的区域不到0.1%，56.2%区域压应力水平介于 1.646MPa～6.912MPa之间，41.1%区域应力水平介于-1.646MPa～0.109MPa之间。

图2.3.4 标准组合（全部）拱脚混凝土主拉应力云图标准组合下，拱脚混凝土主拉应力峰值为10.993MPa（由拱肋内倾变形造成的，ANSYS 模型中该处的应力为10.144MPa），但仅有1.1%的区域应力水平介于2.956MPa～10.993MPa 之间，49.5%区域压应力水平之间0.544MPa～2.956MPa。