大跨度变截面曲线连续钢箱梁桥的3D仿真分析

第1期（总第190期）No.1(Serial No.190) 2017 年 1 月CHINA MUNICIPAL ENGINEERING Jan. 2017
DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2017.01.002
大跨度变截面曲线连续钢箱梁桥的3D仿真分析
王云龙
[上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海200125]
摘要：某（90.009 + 148.724 + 82.230 + 39.681 )m四跨连续变截面曲线钢箱梁，线路中心位于最小半径为255 m 的曲线段上，结构受力复杂。

利用结构分析软件ANSYS的3D板壳单元建立曲线钢箱梁的空间仿真模型，分析曲 线钢箱梁在各种荷载工况及组合下的支座反力、应力与位移。

对受力最不利的中墩钢箱梁节段的有限元单元划分 进行优化，分析该钢箱梁节段的局部屈曲问题。

3D仿真分析结果有效指导曲线钢箱梁的设计，也可为类似工程的 设计提供有价值的参考。

关键词：大跨度曲线钢箱梁；变截面；关键节段；局部屈曲；仿真分析
中图分类号：U448.213 文献标志码：A文章编号：1004-4655 (2017 ) 01-0004-04
1工程简介
某四跨连续的曲线变截面钢箱梁桥，其跨径 布置为（90.009 + 148.724 + 82.230 + 39.681 )m，线路中心位于最小半径为255 m的曲线段；箱梁 等宽，结构宽度l〇.2m,梁高2_6〜7.0 m,其3D 几何图如图1所示，支点处典型断面示意图如图2所示0
10200
^^----------------------i% 4 'f L I 1屮屮屮v|j vy vy 'vy \|/ M
钢箱梁中心线
〇曲线内侧§
-
fi\ rh ff\ i b_/t\ rh /t\ /ti
/in
图2曲线钢箱梁支点处典型断面示意图
虽然分析曲线箱梁结构有多种比较简单而经典 的方法，例如解析方法、空间梁元模型法、空间薄 壁箱梁单元模型法和空间梁格模型法但是这些方法一般只适用于具有相对简单结构外形的曲线
收稿日期：2016-11-16
作者简介：王云龙（1972—），男，高级工程师，本科，主要从事桥梁设计工作。

箱梁；对于不规则道路线形或跨越等大跨度变截面 形式的曲线箱梁桥，用以上方法很难得到设计所需 要的详细结构分析结果。

随着计算机技术的高速发 展和有限元分析软件[4]的不断开发与进步，利用 3D板壳单元、实体单元对整个曲线箱梁结构进行空间仿真分析变得越来越可行。

本文利用ANSYS有限元分析程序，建立四跨连续曲线变截面钢箱梁桥的3D空间模型，对其进 行力学分析，为曲线钢箱梁桥设计提供充分的理论 依据。

2仿真分析模型及荷载工况
变截面曲线连续钢箱梁的3D空间仿真分析采 用ANSYS实体板壳SHELL63单元，模型的3D视 图如图3所示（模型的第2跨跨中加了车道集中荷 载）；整个仿真模型单元数量总计13万个左右。

图3曲线钢箱梁的3D仿真几何模型图
3D仿真模型严格按照实际设计图纸，模拟箱 室内每一个隔板与加劲板，以第1跨箱室内部单元 为例，仿真模型的内部视图如图4所示。

此外，为验证仿真模型计算结果的有效性，利 用MIDAS 的3D 梁单元建立梁单元整体分析模型。

变截面曲线连续钢箱梁采用Q 420钢材，弹性模型 为2.06 xlO 5,泊松比为0.3。

计算模型中考虑荷载 工况及组合如下。

1)
结构自重。

计算模型考虑所有横隔板以及
主要加劲板，包括人孔加劲板，程序根据构件实际 尺寸自动计人结构自重。

2)
二期恒载。

桥面铺装和防撞护栏作为单元
上的均布荷载施加，声屏障荷载根据布置区域施 加。

钢桥采用钢防撞墙，按照5.0 kN /m 计算；声 屏障按照2.5kN /m 计算。

3
)基础变位。

根据类似工程设计经验，40 m 以 下不均勾沉降10 mm ; 100 ~ 40 m 取20 mm , 150 ~ 100 m 取 30 mm 〇
4)车道荷载。

城-B 级车道荷载，均布荷载 标准值为10.5x 0.75 = 7.785 kN /m ，集中荷载标准 值为 360x 0.75 = 270 kN 。

由于ANSYS 没有移动荷载的加载功能，只能采 用拟静力方法加载；先根据MIDAS 的梁单元计算结 果，确定曲线梁关键墩号反力、关键截面内力与位 移的影响线，再根据影响线加载。

本文考虑3种车 道荷载工况，工况1为全桥满布荷载工况，全桥满 布均布荷载，集中荷载加载在第2跨中，加载示意 图如图3所示；工况2为第2跨跨中正弯矩最大工 况，即第2和第4跨满布均布荷载，集中荷载加载 在第2跨跨中，加载示意图如图5所示；工况3为 2号墩墩顶负弯矩最大工况，第1、第2和第4跨满 布均布荷载，集中荷载加载在第2跨跨中，加载示 意图如图6所示。

图5车道荷载工况2的加载示意图
图6车道荷载工况3的加载示意图
5)温度荷载。

整体温度考虑整体温差±35 K ; 梯度温度主要参考BS 5400规范[5]，考虑到沥青铺 装层厚度l 〇cm ，正温差T 1 ~ T 4分别取为：16T ：、
9.3 T ：、5.3 T ：、2.7 T ：;负温差取-5 K ;其中，以 梯度升温为例，其截面加载图如图7所示。

3.556 7.111 10.667 1
4.222
1.778
5.333 8.889 12.444 16
图7梯度升温截面加载图（C )
6) 风荷载。

考虑作用在钢箱梁、护栏及声屏 障上的横向风荷载，取值参考相关规范[6]。

7)
荷载组合。

根据各个荷载工况的计算结果，
在计算曲线钢箱梁的应力与位移时，以下3种组合工
况相对不利，即：组合工况1为恒载+活载（正弯矩 最大）；组合工况2为恒载+活载（正弯矩最大）+ 整体升温+梯度升温；组合工况3为恒载+活载（正 弯矩最大）+整体降温+梯度降温。

3 3D 空间受力分析
在变截面曲线连续钢箱梁的空间受力分析中， 主要考察钢箱梁在各个荷载工况及组合下的支座反 力、位移与应力。

为了验证仿真模型的有效性，ANSYS 3D 仿真 模型与MIDAS 模型在成桥状态下支座反力的比较如 表1所列，钢梁的竖向位移分别如图8、图9所示。

表1成桥状态下不同模型支座反力的比较
kN
墩号ANSYS 模型MIDAS 模型R l
&
R l
&17851050768106927 2258 0507 4078 2213 6 7457 9157 0977 795414601645138516835
945
655
916
625
表1中，1~5墩号以跨径布置方向依次编号， 第1跨跨径为90.009 m ，最后一跨（第4跨）跨径 为39.681 m ;凡表示沿墩号增大方向左侧支座反
力，4表示沿墩号增大方向右侧支座反力。

由表1
5
的支座反力比较可知，ANSYS 3D仿真模型计算得 到支座反力大小和分布与MIDAS梁单元模型基本一致。

Y
—z X MjL
-.434 311 -.322 052 -.209 793 -.097 534 -.014 725
-.378 182 -.265 923 -.153 663 -.041404 -.070 855图8 ANSYS模型，钢箱梁的成桥恒载竖向变形（m )
最大：70
图9 MIDAS模型，钢箱梁的成桥恒载竖向变形
由图8可以看出，利用AN SYS的3D仿真模型，曲线钢箱梁在成桥状态下，第2跨明显下挠，最大下挠434 m m;第3跨明显上拱，最大上拱71mm。

图8的AN SYS3D仿真模型成桥恒载变形结果与图9的MIDAS梁单元计算结果基本吻合(MIDAS模型，钢梁第2跨最大下挠448 mm和第 3跨最大上拱70 mm)。

经以上验证，ANSYS 3D仿真模型与MIDAS 空间梁单元模型支座反力和竖向变形计算结果基本 吻合，ANSYS的3D仿真模型是有效的。

利用ANSYS的3D仿真模型，计算曲线钢箱梁在上述各个荷载工况下支座反力，经过最不利组 合，得表2的计算结果。

表2最不利组合下的支座反力 kN
墩号
组合最大组合最小
及L A及R
110151415725425
29 3409 425 6 9007 885
38 87010435 6 3256870
41995 2 105925665
51610925865640
由表2中可以得到，在不加压重情况下，钢 箱梁各支座均受压，最小反力为1号墩右侧支座425 kN,最大反力为3号墩右侧支座10 435 kN。

由于文章篇幅有限，本文不再出示曲线钢箱梁在各个荷载工况下的应力云图与变形图，以列表形 式给出钢箱梁在各个工况及组合下应力值与竖向位移值。

表3给出曲线钢箱梁在各个荷载工况及组合下 的最大Mises应力值。

表3曲线钢箱梁的应力表 MPa 荷载工况顶板底板腹板
成桥恒载84131129
整体升温4173
整体降温4173
梯度升温363132
梯度降温101010
车道荷载1334242
车道荷载2395252
车道荷载3354646
组合工况1120161163
组合工况2150190193
组合工况3111152158
由表3可知，成桥恒载下，曲线钢箱梁的顶板最 大应力为84 MPa，底板为131 MPa,腹板为129 MPa;整体升降温与梯度降温下的钢箱梁应力不大；组合工 况3下，曲线钢箱梁的应力最大，其中，顶板的最大 应力为150 MPa，底板为190 MPa，腹板为193 MPa。

总的来说，曲线钢箱梁的最大应力值能够满足设计规 范的要求。

表4给出曲线钢箱梁在各个荷载工况及组合下 的最大位移值以及相应的发生位置。

表4曲线钢箱梁的竖向位移表 mm 荷载工况
最大下挠位移最灶拱位移
位移值发生位置位移值发生位置成桥恒载434第2跨71第3跨
整体升温——4第2跨
整体降温4第2跨——
梯度升温61第2跨20第1跨
梯度降温6第1跨20第2跨
车道荷载1147第2跨30第3跨
车道荷载2215第2跨96第1跨
车道荷载3171第2跨56第3跨
组合工况1649第2跨134第3跨
组合工况2706第2跨145第3跨
组合工况3634第2跨131第3跨由表4的竖向位移表可以得到，成;桥恒载下曲线钢箱梁竖向位移较大，设置预拱度保持结构成桥 线形；车道荷载下，结构的最大烧度为215 mm,发 生在最大跨径——第2跨，挠跨比为1/692 < 1/500, 结构刚度能够满足设计要求。

4关键节段局部屈曲分析
钢箱梁的局部屈曲是结构设计的一个关键问题，特别对于截面外形与构造复杂的钢箱梁，其加劲设
王云龙：大跨度变截面曲线连续钢箱梁桥的3D仿真分析2017年第1期
计是否充分，不能完全依靠设计规范判断，必须依
靠3D仿真分析确定其屈曲模态和屈曲系数。

根据
以往经验，钢箱梁3D板壳单元的屈曲分析对于有限单元划分的精度要求较高，对于模型的单元数也 有一定限制，如果对整个曲线钢箱梁进行屈曲分析，则很难得到精确的分析结果，且很耗时。

所以，通 常取受力较为不利的曲线钢箱梁节段，节段长度满 足圣维南原理，•该节段的单元划分加密后进行屈 曲分析，节段的边界力取自整体模型。

曲线钢箱梁的3D仿真分析结果表明，2号墩 位梁段受力较为不利，墩顶上缘顶板存在较大拉应 力，墩底下缘底板存在较大压应力，因此选取如图 10所示位置的梁段作为屈曲分析模型，对该节段 的单元进行加密与优化。

屈曲分析梁端模型图如图 11所示。

图11屈曲分析梁段模型
曲线钢箱梁节段的局部屈曲分析考虑2种工 况，即成桥恒载和成桥“恒载+车道”荷载工况3 (2号墩墩顶负弯矩最大)。

这2种工况下的节段第 1阶屈曲模态及屈曲系数分别如图12、图13所示。

.220E-08 .233E-03 .465E-03 .698E-03 .931E-03
.116E-03 .349E-03 .582E-03 .815E-03 .001 047
图12成桥恒载作用下第1阶屈曲模态（屈曲系数2.77)
FREQ=2.129
USUM(AYG)
RSYS=0
DMX=.561E-03
SMN=.328E-08
SMX=.561E-03
.328E^3E-04.125E谢
图13 "恒载+活载”作用下第1阶屈曲模态(屈曲系数2.13)由图12、图13的屈曲模态可知，2种工况下
曲线钢箱梁节段的第1阶屈曲模态均为墩顶外侧第
1道和第2道横隔板之间的2道横肋面外失稳。

在
这个区域内箱梁截面较髙，且底板压应力较大，横
肋面外刚度相对较弱，容易发生屈曲。

由于曲线钢箱梁的屈曲系数不高，成桥恒载下
为2.77, “恒载+活载”下为2.13,根据屈曲模态，
建议加强底板横向加劲肋，以提高屈曲安全系数。

5结语
通过以上对四跨连续变截面曲线钢箱梁桥的
3D仿真分析，总结如下。

1)通过与MIDAS的3D梁单元模型的计算比较，ANSYS的3D仿真模型是有效的。

2)根据3D仿真分析模型的计算结果，钢箱 梁的反力、应力与位移均能满足设计规范要求。

3)通过对曲线钢箱梁节段的局部屈曲分析，得到屈曲安全系数不高，建议加强底板横向加劲
肋，以提髙屈曲安全系数；并被设计采纳。

4)本文的分析方法可以为其他类似工程的设计计算提供有价值的参考。

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7。