基于有限元软件ABAQUS的组合结构分析

基于有限元软件ABAQUS的组合结构分析

摘要：本文通过大型有限元工程模拟软件ABAQUS对波纹钢腹板组合梁建立有限元模型，并与试验数据作对比，检验有限元分析的正确性。

关键词：组合梁、有限元

Abstract: this paper through the large finite ABAQUS software engineering simulation of the corrugated steel beams webs, a finite element model and with the test data as compared to test the validity of the finite element analysis.

Key words: the composite beams, finite element

0引言

有限元数值分析方法起源于20世纪50年代飞机结构分析，并由其理论依据的普遍性己被推广到其它很多领域。在结构分析领域，几乎所有的弹塑性结构静、动力学问题都可以用它求得满意的数值结果。桥梁结构作为众多结构中的一种，利用有限元数值方法分析其力学特性同样可以得到很好的数值分析结果。

波纹钢腹板预应力组合箱梁桥是20世纪80年代起源于法国的一种新型组合桥梁，此类新型结构与传统的混凝土箱梁相比有以下优点：(1) 自重降低，抗震性能好。腹板采用较轻的波形钢板，其桥梁自重与一般的预应力混凝土箱梁桥相比大为减轻，地震激励作用效果显著降低，抗震性能获得一定的提高。(2) 改善结构性能，提高预应力效率。波形钢腹板的纵向刚度较小，几乎不抵抗轴向力，因而在导入预应力时不受抵抗，从而有效地提高预应力效率。(3)充分发挥各种材料特性。在波形钢腹板预应力箱梁桥中，混凝土用来抗弯，而波形钢腹板用来抗剪，几乎所有的弯矩与剪力分别由上、下混凝土翼缘板和波形钢腹板承担，而且其腹板内的应力分布近似为均布图形，有利于材料发挥作用。[1-5]

本文通过大型有限元工程模拟软件ABAQUS对波纹钢腹板试验梁建立有限元模型，并与试验数据作对比，检验有限元分析的正确性。

1 有限元建模

1.1单元选择

有限元工程模拟软件的实体单元库包含二维和三维的一阶插值单元和二阶插值单元，积分方式有完全积分和减缩积分。三维实体单元有四面体和六面体。四面体单元有4节点12自由度和10节点30自由度的四面体单元，六面体单元

有8节点24自由度和20节点60自由度的四面体单元。

图1单元类型

a)实体单元b)壳单元c)桁架单元

图2单元类型

在本模型中混凝土采用线性完全积分的六面体实体单元（C3D8），钢腹板采用线性完全积分的壳单元（S4），普通钢筋采用线性两节点的桁架单元（T3D2）。

1.2 模型装配与接触模拟

有限元工程模拟软件可以通过部件模块建立模型的各个组件后，在装配模块中组装成完整的模型。要求模型中波纹钢腹板和混凝土顶底板之间的平动和转动一致，而且两者之间的应力能够实现传递可以通过接触模块中的固结（Tie）来模拟。对于试验梁中普通钢筋可以通过接触模块中的埋入单元（Embedded element）进行模拟。装配完成后的试验梁模型如图3所示。

图3试验梁模型

1.3 单元划分

有限元工程模拟软件提供多种单元划分方法，为了使模型单元划分均匀，模型的混凝土、钢腹板和普通钢筋均采用等间距划分方法。混凝土单元划分间距为25mm，钢腹板划分间距为20mm。划分结果如图4所示。

图4 试验梁单元划分

最终全桥共划分为11016个实体单元，4914个壳单元和2448个桁架单元。

1.4 荷载及边界条件

计算工况为在支座范围内以均布力的形式对称作用在试验梁的两个三分

点上，进行4KN、8KN、12KN、16KN、20KN等五个荷载等级加载，如图5所示。

图5 试验梁加载

边界条件为两端支座位置约束位移及转角，其中一端约束位移U1、U2和U3来模拟固定铰支座，另一端约束位移U1、U2来模拟滑动铰支座。

2 挠度分析

计算得出4KN、8KN、12KN、16KN、20KN等五个荷载等级双点中载时挠度，下面仅列出荷载等级为20KN时试验梁挠度图。为了验证有限元模拟的有效性，同样对有限元工程模拟软件、MIDAS及试验梁三者的跨中截面混凝土底板挠度进行对比。其中有限元工程模拟软件和试验梁中是取底板两侧波纹钢腹板正下方的挠度平均值。

由图7可以看出，在弹性范围内有限元工程模拟软件中挠度是以每荷载等级0.074mm速度增长，MIDAS中挠度是以每荷载等级0.067mm速度增长，试验梁以每荷载等级0.09mm速度增长，增长呈线性变化。有限元工程模拟软件和MIDAS挠度增长速度接近，试验梁实测挠度增长速度比两者快，这是由于试验过程中支座发生沉降，而软件模型没有支座沉降。综上分析，说明本次有限元模拟是有效和准确的。

图6试验梁挠度

图7跨中底板挠度对比

3结语

通过对比，验证了有限元软件模拟试验梁变形与试验梁数据相符，但也发现了有限元应力分布与试验梁实测数据有差别。这是因为有限元模拟组合结构钢腹板与混凝土顶底板接触和实际情况有差别，有限元软件计算是有效的，但模拟组合结构接触需要我们进一步研究。

参考文献

刘磊，钱冬生. 波纹钢腹板的受力行为[J ]. 铁道学报, 2000, (增刊) .

宋建永.波纹钢腹板体外预应力组合梁力学性能研究[D] .哈尔滨:哈尔滨工业大学，2003.

宋建永，张树仁，王彤，吕建鸣.波纹钢腹板体外预应力组合梁弯曲性能分析及试验研究[J].土木工程学报，2004.37(11) :50-55.

吴文清，万水，叶见曙，方太云.波形钢腹板组合箱梁剪力滞效应的空间有限元分析[J].土木工程学报，2004，37 (9):31-36 .

周长晓，王福敏，宋琼瑶.波形钢腹板稳定的理论分析及试验研究[J].公路交通技术，2005，(1):54-57.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。