纵向加劲钢箱梁桥的简化分析.pdf

2012年1月第1期
城市道桥与防洪
科技研究
纵向加劲钢箱梁桥的简化分析
张慧,杨子江,刘世忠,吴辉
兰州交通大学,甘肃兰州730070
摘要:介绍了一种新的流线型薄壁钢箱梁桥。钳对该桥大悬臂及大宽跨比的特点进行了试验分析,并进行了数值计算。对于
此类复杂结构,选取不同的离散模型对纵向加劲板进行简化模拟,并通过试验验证和全桥模型对所提出的方法的有效性进行
判断。虽然全桥模型对于细节和连接部分是不可缺少的分析方法,但是简化分析方法对于确定箱梁结构内力和弯矩仍然保持
着一定的有效性。简化分析结果与试验结果保持着较好的一致性,从而验证了其作为预测结构特性的有效性。
关键词:箱梁;加劲板;模型试验;有限元分析
中图分类号:U441文献标识码:A文章编号:1009-7716(2012)01-0105-04
0引言
观的需要。该类型桥的特别之处不仅仅在于他们
内在、外形和抗风,更重要的是对于结构材料和刚
为适应交通现代化的发展需求,一些高速公度的有效利用。
路桥梁开始向8车道发展,単幅桥梁的横向宽度
本文根据两种不同的简化分析方法思路进行
不断增加。同时,随着对桥梁结构简化和施工方便了该结构的分析计算,得到了相应的计算结果,并
的要求提高,国内外建造的连续梁桥中采用能适与实际的全桥模型进行对比。虽然对于某些细节
应较宽桥梁的大宽跨比、宽体、单箱多室宽箱截面部位和连接部分应用有限元建立模型是不必可少
形式者越来越多。这种桥梁具有腹板间距大、横向的环节,但是理论分析对于设计计算过程中快速
翼缘宽、箱壁薄等特点。薄壁箱梁从刚度、强度需准确地确定内力和弯矩仍然是一种非常有效的方
要,经济考虑和减轻自重方面均被认为是一种有法。
效的机构形式。尤其是当把正交异性板和钢箱梁
综上所述,本文在建立大比例模型试验的基
结构形式两者结合到一起的时候,大跨径桥的板础上,分析大宽跨比宽体鱼腹式薄壁钢箱梁应用
厚和自重都大大降低了川
于连续梁桥时的空间力学性能,为大宽跨比宽体
正交异性板除作为桥面外,还是主梁截面的鱼腹式薄壁钢箱粱在连续梁桥上的准确应用奠定
组成部份,它既是纵横梁的上翼缘,又是主梁的上理论基础。研究成果将对提高我国大宽跨比宽体
翼缘。传统的分析方法是把它分成3个结构体系鱼腹式钢箱梁结构工程科技水平具有积极的意
加以研究:
义,应用前景十分广阔,并且将会产生很好的社会
(1)主梁体系。由盖板和纵肋组成主梁的上翼及经济效益
缘,是主梁的一部分
(2)桥面体系。由纵肋横梁和盖板组成,盖板1原桥和模型
成为纵肋和横梁的共同上翼缘。
本文参照厦门市仙岳路桥制作了1:8的大
(3)盖板体系。仅指盖板,它被视为支承在纵比例有机玻璃试验模型,桥式结构为一单箱三室
肋和横梁上的各向同性连续板。
的薄壁钢箱连续粱桥,其桥面板为正交异型板T
正交异性板最重要的优点在于由于桥面板的型加劲肋。模型梁桥跨布置为:4.5m+4.5m的两
3个阶段受力的共同作用而减轻了自重,目前在许跨箱形连续梁(见图1)。模型截面尺寸示意图见图
多国家都采用此类梁结构。
2。全桥共设置9处横隔板。支座位于梁的两端和
本文通过模型试验和理论分析,评估了种中间支点处,每排对称布置两个。
新型的正交异性板箱粱桥。其鱼腹式的箱型横截
采用的有机玻璃板的厚度有:1mm、1.5mm、
面可以满足城市中大宽跨比、大跨、抗风和外形美1.8mm、3.5m四种类型。
2分析方法
收稿日期:2011-11-08
基金项目:国家自然科学基金(50968008)
钢材是一种各向同性材料,然而一块弹性的
作者简介:张慧(1979-),甘肃兰州人,讲师,博士在读,主要从事
桥梁工程的研究与教学
正交异性板是由一块薄板和纵向以及横向加劲肋
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向厚度为ん,横向板厚为t。那么单位纵向抗弯刚度
变为E?2,横向为?其次,构造一个各项
异性板与此板具有相同的刚度,板的厚度为b。令
E,=E,那么单位纵向抗弯刚度E
令E
E(と),那么横向为E12。不难看出二者在纵
横向均具有相同的刚度。因为島==2,令
图1试验模型
Ey Ay
2那么ル平”h
3有限元模型
3.1全売模型( Method1)
图2模型截面尺寸示意图(单位:m
采用Shel163单元模拟全桥的桥面板和加幼
所组成,由于纵横向刚度是不同的,从而形成了一肋。单元总数为22496,节点数为22574,图4
种结构的各项异性板。因此,本文构造一块各项异为全壳模型细部图。
性的薄板,此板在纵横向上的弹性性能不同,大小
分别与正交异性板的两个正交方向的性能一致(见
图3)。
图3转换过程图
对于钢板的理论分析,考虑到将其简化为薄
图4全壳模型细部图
壳结构,因此此类分析可以分为两类问题:平面应3.2平面应力理论( Method2)
力问题,薄板弯曲问题。
根据上面的理论分析,通过保持相等的惯性
2.1平面应力问题
矩,纵向的加劲肋可以被均匀分布到整个桥面板。
以本文所示桥型为研究对象,该桥面板只有板厚为。采用Shl63单元,单元总数为
纵向加劲肋,该桥原桥面板厚度为,如图3(a)。点数为13078。图5为平面应力理论模型细部图。
首先假定一个简化正交异性板厚度纵向厚度为t',
横向为t,如图3(b)。为了简化分析,横梁的影响
忽略不计。因此,该板纵向单位拉压刚度为E?t',
横向为E?t。其次,保持刚度不便,将其简化成一块
厚度为t',如图3(c)各项异性板。令E=E,那么纵
向单位拉压刚度为E“t';令E,=E?,横向为
E?t。很容易可以发现此板与前面的正交异性板具
有相同的刚度。因为=监,所以令以取,那么
图5平面应力理论模型细部图
3.3漮板弯曲理论( Method3
ムル?,o
根据上面的分析,加劲肋的总的弯曲刚度保
2.2薄板弯曲理论
持不变,那么
本文以薄板的小挠度弯曲理论为基础,设原
E?=E?∑(+Aゅy2
来板的厚度为t。首先,假定一个正交异性板在纵
通过保持相等的惯性矩,纵向的加劲肋可以
被均匀分布到整个桥面板。令板的厚度为ん(b是通