三跨连续钢箱梁桥板单元分析

三跨连续钢箱梁桥板单元分析

摘要：应用有限单元程序MIDAS/Civil分析各种荷载工况下的连续钢箱梁，薄壁钢箱梁用考虑横向剪切变形的板进行模拟，比较精确分析出钢箱梁的应力大小及分布，主应力及剪应力均符合要求。

关键词：连续钢箱梁桥板单元有限元

对于跨度不大的连续钢箱梁桥，用板单元进行分析能得出应力云图来反映应力大小及分布。从而分析出薄壁箱梁在荷载作用下的最大主应力及剪应力的所在区域及数值。本文采用板单元建立模型，对三跨连续钢箱梁桥进行受力分析。

1.板壳基本理论

（1）薄板理论

薄板理论除采用弹性力学中材料均匀、连续、各向同性和线弹性假设外，通常称为Kirchhoff的基本假定。

（2）中厚板理论

考虑横向剪切变形的板理论，一般称为中厚板理论或Reissner理论。厚板理论是平板弯曲的精确理论。

（3）考虑横向剪切变形的壳理论

可考虑横向剪切变形的影响的理论，一般称为Mindlin-Reissner理论，是将Reissner关于中厚板理论的假定推广到壳中。

2.实桥建模与分析

2.1 实桥概况

实桥为40+65+50m连续钢箱梁桥，单箱三室斜腹板，顶、底板设U型加劲肋板。钢箱梁采用钢材为Q345D，顶板厚16mm，底板厚24mm，腹板厚16mm。

2.2有限元模型的建立

利用MIDAS/Civil建立有限单元模型，单元采用4节点平面应力单元，板厚为考虑加劲肋板，共建立了6506个单元。如图1所示。

2.3 计算结果分析

计算各种荷载工况为自重（ST1），二期恒载(ST2)2.7 kN/，支座不均匀沉降(SM)按10cm考虑，温度荷载(ST3)按整体升温20℃考虑，汽车活载(MV)按双向四车道加载。进行荷载组合如下：

荷载组合Ⅰ：1.2×ST1+1.2×ST2+0.5×SM

荷载组合Ⅱ：1.2×ST1+1.2×ST2+0.5×SM+1.4×MV

荷载组合Ⅲ：1.2×ST1+1.2×ST2+0.5×SM+1.4×ST3

荷载组合Ⅳ：1.2×ST1+1.2×ST2+0.5×SM+1.4×MV+1.12×ST3

各种荷载组合下主梁的最大最小主应力及最大剪应力见表1

根据《钢结构设计规范》（GB 50017-2003），厚度为16～35mm的Q345钢板的抗拉、抗压和抗弯强度设计值为295MPa，抗剪强度设计值为170MPa。由分析结果可以看出应力均满足要求。

3.结语

（1）对于跨度不大的连续钢箱梁桥及特殊受力部位的薄壁钢箱梁结构，采用板单元进行建模分析，能够精确的得出应力云图来反映应力大小及分布，从而分析局部的主应力及剪应力，验算钢板是否会发生局部屈曲或剪切破坏。

（2）厚板和厚壳单元不但可以分析厚板和厚壳，还可以降阶积分分析薄板

和薄壳。大部分情况下无论是厚板还是薄板，选择厚板单元进行分析都能够得到精确的分析结果。

（3）运用MIDAS/Civil建立板单元模型，为了得到理想的计算结果和较高的效率，要尽量使用4节点单元。

参考文献：

[1]朱伯芳.有限单元法原理与应用[M] ·北京:中国水利水电出版社,2009

[2]邱顺东.桥梁工程软件midas Civil 常见问题解答[M]·北京:人民交通出版社,2009

[3]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M]·北京:人民交通出版社,2007