鋼腹板梁的數(shù)值仿真分析-論文

1、山東交通學(xué)院 20132014學(xué)年第一學(xué)期研究生課程考試課程論文課程名稱： 有限元分析及應(yīng)用 課程編號： 07121005 課程屬性： 必修課 論文題目: 波形鋼腹板箱梁的數(shù)值仿真分析 研究生姓名: 李才 學(xué) 號: 13011011 研究方向： 港航、路橋與隧道工程 年 級: 研交通131 評語:成 績: 評閱教師: 評閱日期: 波形鋼腹板箱梁的數(shù)值仿真分析李才土木工程學(xué)院 港航、路橋與隧道工程摘要：波形鋼腹板梁是20世紀(jì)20年代出現(xiàn)的一種新型橋梁結(jié)構(gòu)，由于有著突出的優(yōu)點，它一出現(xiàn)就受到人們的關(guān)注。本文運用數(shù)字仿真軟件Abaqus對一座實際橋梁進行仿真模擬試驗，通過對試驗結(jié)果的分析，得出波形鋼

2、腹板箱梁的受力特點和工作特性，證明該新型橋梁的優(yōu)點，為其設(shè)計和計算提供理論參考，為其利用有限元方法分析計算提供方法。關(guān)鍵詞：波形鋼腹板 箱梁 數(shù)值仿真 預(yù)應(yīng)力混凝土1 波形鋼腹板箱梁簡介波形鋼腹板梁是20世紀(jì)20年代出現(xiàn)的一種新型橋梁結(jié)構(gòu)，由于波形鋼腹板箱梁的有著突出優(yōu)點，它一出現(xiàn)就受到人們的關(guān)注。波形鋼腹板箱梁主要由混凝土頂?shù)装宀ㄐ武摳拱搴腕w外預(yù)應(yīng)力筋組成。法國在1986年法國建成了世界上第一座波形鋼腹板組合箱梁橋。1988年，ACSI協(xié)會將波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁作為新型橋梁結(jié)構(gòu)進行推廣，立刻就得到各國橋梁工程師的廣泛關(guān)注和應(yīng)用。隨著建成的波形鋼腹板組合梁橋數(shù)量的不斷增加，其施工技術(shù)

3、也在不斷完善成熟，從常見的滿堂支架法、懸臂法施工已逐步發(fā)展到支梁法、項推法、斜吊頂推法等，橋梁結(jié)構(gòu)形式也由常規(guī)的簡支梁、連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)發(fā)展到脊骨梁橋、矮塔斜拉橋、斜拉橋、拱橋及懸索橋等多種橋型。目前該結(jié)構(gòu)的理論研究成果尚不能完全滿足工程設(shè)計的需要，而且已有的研究表明波形鋼腹板箱梁不滿足平面假定，故我們需要用空間有限元軟件Abaqus進行分析，以使該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點得到更充分的利用。波形鋼腹板箱梁相對于傳統(tǒng)鋼筋混凝土梁具有眾多的優(yōu)點，節(jié)省混凝土用量，減輕自重；由于鋼板顏色鮮艷，增加了橋梁的美觀性；體外預(yù)應(yīng)力筋使得在預(yù)應(yīng)力筋損壞時可以靈活更換。為推廣該組合梁橋在我國的應(yīng)用，為該組合橋梁的設(shè)計和計算提供

4、理論參考和證明其結(jié)構(gòu)優(yōu)點，本文用空間有限元計算軟件Abaqus對一座實例橋梁進行建模并進行數(shù)值仿真分析。圖1 波形剛腹板箱梁實例圖1.1 波形鋼腹板梁的優(yōu)點波形鋼腹板組合箱梁有以下優(yōu)點：1）波形鋼腹板組合箱梁與一般的預(yù)應(yīng)力砼箱梁相比，可以減輕腹板重量，從而減輕了主梁的重量，為改善受力，加大跨徑提供了可能。2）波形鋼腹板與平腹板相比，受力更加合理，更節(jié)省鋼材。3）波形鋼腹板具有較高的抗剪強度，避免了砼箱梁腹板容易出現(xiàn)斜裂縫的問題。4）抗震性能好，經(jīng)濟效益明顯。由于上部結(jié)構(gòu)自重的減輕，使得橋梁的抗震效果明顯提高。5）結(jié)構(gòu)受力合理，材料的利用率較高。結(jié)構(gòu)受力時鋼材承擔(dān)剪力，混凝土頂?shù)装宄袚?dān)彎矩，有效

5、利用材料。由于波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力組合箱梁采用體外預(yù)應(yīng)力承受活載，即使在長期運營后體外預(yù)應(yīng)力筋出現(xiàn)磨損或斷裂時，依然可以在夜間停止車輛通行后對其進行更換，以恢復(fù)承載力和進行結(jié)構(gòu)加固。1.2 波形鋼腹板箱梁的計算理論1）縱向抗彎計算波形鋼腹板在軸向力的作用下，橫向變形很大，表現(xiàn)出來的等效荷載模量很小。波形鋼板在縱向的等效彈性模量和板厚、波紋有關(guān)，可由下式計算Ex=Eth2 (1)式中Ex等效軸向彈性模量 E鋼材的彈性模量 t板厚 波紋的形狀系數(shù)2）波形鋼腹板的應(yīng)力計算波形鋼腹板主要承受剪應(yīng)力。在設(shè)計中可以偏保守的假定結(jié)構(gòu)所有的剪力都由波形鋼腹板承受，忽略混凝土頂板和底板對剪力的抵抗作用，從而計算出波

6、形鋼腹板所需要的最小厚度。波形鋼腹板不僅承受剪應(yīng)力，同時也承受橫向彎曲所引起的彎曲應(yīng)力，因此必須對波形鋼腹板的合成應(yīng)力進行驗算，公式為（ba)2+（ba)2 (2)式中b拉應(yīng)力 a抗拉強度 b剪應(yīng)力 a抗剪強度 安全系數(shù)，建議取值1.2。 1.3波形鋼腹板的屈曲穩(wěn)定性計算3）波形鋼腹板的屈曲破壞主要有三種模式（1）局部屈曲模式波形鋼腹板某一個波段出現(xiàn)屈曲破壞現(xiàn)象，計算公式為，L=E2121-v2（tb)2K (3)式中，L局部屈曲強度 E 鋼材的彈性模量 v 鋼材的泊松比 b 腹板的厚度 t 波段長 K 屈曲系數(shù)，有 K=5.34+4.00（b/a)2 a/b1K=4.00+5.34（b/a)

7、2 a/b1 （2）整體屈曲模式指波形鋼腹板整體出現(xiàn)屈曲破壞，計算公式為，G=36(EIy)1/4(EIx)3/4b2t (4)式中，G整體屈曲強度 波形鋼腹板兩端的固定系數(shù) E 鋼材的彈性模量 Iy y軸的慣性矩 Ix x軸的慣性矩 t 鋼板的厚度 b 腹板的高度 (3)合成屈曲模式波形鋼腹板同時出現(xiàn)局部屈曲和整體屈曲破壞現(xiàn)象，是介于局部屈曲和整體屈曲中間的屈曲模式，計算公式為=，L1+ ，L，G 4-1/4 (5)式中 合成屈曲強度 ，L局部屈曲強度 ，G整體屈曲強度2 Abaqus建模2.1 項目簡介本項目是建立波形鋼腹板箱梁模型，模擬該結(jié)構(gòu)的受力，通過觀察波形剛腹板箱梁在不同工況下鋼板

8、的位移和受力變化，得出鋼板的受力變化規(guī)律，得到結(jié)論，希望能夠為這種結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計提供理論依據(jù)。該項目的模型為波形鋼腹板箱形簡支梁橋，預(yù)應(yīng)力鋼筋全長18m，箱梁全長18.5m，頂板寬度9.5m，底板5.8m，梁高2m。詳細(xì)尺寸見下圖1-1；材料計算參數(shù)見表1表1 材料計算參數(shù)表材料名稱型號彈性模量（MPa)泊松比備注混凝土C5034.50.167鋼板Q345200/3000.3預(yù)應(yīng)力鋼筋515.21950.3波形鋼腹板形狀圖1 橋梁結(jié)構(gòu)（單位m）表2 計算工況表工況頂面均布荷載（kN/m)跨中集中荷載(kN)備注工況110300工況210600工況31096002.2 在abaqus/CAE中建

9、模 1、定義幾何模型 將在AUTOCAD中畫好梁的橫截面圖（見圖1）導(dǎo)入到abaqus/CAE中，通PartCreatePart，創(chuàng)建一個拉伸實體，挖空腹板部分，即完成了箱梁混凝土部分的創(chuàng)建所建立的三維實體如圖2圖2 混凝土實體模型同樣使用拉伸的性能，創(chuàng)建一個三維可變形的波形鋼腹板，由于橋梁是18.5m，所以近似尺寸取為20m。圖3為通過實體的Linear Pattern創(chuàng)建完成。圖3 波形鋼腹板2、定義材料和截面特性變形體的每個區(qū)域都必須指定一個包含材料性質(zhì)的截面屬性。要在Property模塊中創(chuàng)建C50混凝土、Q345鋼板、鋼絞線三種線彈性的材料，C50混凝土的彈性模量E為34.5MPa，

10、泊松比0.167；Q345鋼板的彈性模量為200MPa，泊松比為0.3；鋼絞線的彈性模量為195MPa，泊松比為0.3（見表1），預(yù)應(yīng)力鋼筋全長18m。 3、裝配部件在Assembly模塊中完成對各個部件的組裝，鋼絞線埋入到混凝土實體中。4、設(shè)置分析過程應(yīng)用Step模塊在初始分析部之后創(chuàng)建一個一般靜態(tài)（static，general）分析步，此外還要指定分析結(jié)果的輸出。5、接觸模擬鋼腹板和砼之間采用固結(jié)（tie）模擬，鋼絞線埋入（Embeded）到底板中。 6、荷載和邊界條件創(chuàng)建邊界條件，在初始步里對梁的兩端加約束，一端為鉸接，一端為可滑動鉸接。施加荷載，在梁的頂面加上一個均布荷載（pressu

11、re）10kN/m和在梁的跨中加一個集中力300kN/600 kN/ 900kN，模擬城市A荷載。7、網(wǎng)格劃分混凝土頂?shù)装宓木W(wǎng)格尺寸為0.5m，由于我們主要是要了解和分析鋼腹板的受力特點，鋼腹板的網(wǎng)格尺寸為0.2m。圖4 網(wǎng)格劃分8、運行分析完成以上步驟后，設(shè)置好參數(shù)后進行提交分析（Submit）。9、后處理提交完成后，點擊Results便進入Visualization功能模塊。位移和受力的云圖見下圖圖5 變形和內(nèi)力云圖4 結(jié)果分析從運算分析的結(jié)果云圖中可以看出波形鋼腹板箱梁的跨中撓度很小，翼板變形較大，主要是由于翼板懸臂太長，厚度較小造成的。從受力云圖中可以看出波形鋼腹板承受主要的拉力，跨中

12、受力較小，兩端受力較大。從而推測出靠近兩端的鋼腹板應(yīng)該加厚或采用其他方法增加其承載力，跨中鋼腹板在承載時受力較小，可以減小鋼腹板的厚度。繪制XY圖表，將鋼腹板的的受力從跨中到端點的變化繪制成XY圖表，以便更直觀準(zhǔn)確的觀察出鋼腹板的受力變化情況。即得到圖7圖6 選擇節(jié)點圖7 受力XY圖圖8 位移XY圖 將繪制的XY圖導(dǎo)入到excel表格中，結(jié)果如圖9所示 工況1工況2工況3圖9 excel中的鋼腹板受力變化圖表1-3 各工況位移和應(yīng)力工況最大應(yīng)力（MPa）最大位移（mm）狀態(tài)E鋼板=200MPa工況1598.0彈性工況2693.4彈性工況334222.0破壞E鋼板=300MPa工況1572.4彈性工況2672.8彈性工況336818.0破壞圖7和圖9為鋼腹板上靠近下邊緣的一系列點在外荷載作用下從跨中到端點的受力變化情況，從圖和表中可以得出：1）從跨中到端點，波形鋼腹板受力逐漸增大。2）鋼板彈性模量的變化對鋼腹板的受力影響不大。但對位移影響較大。3）鋼腹板主要承受剪力，且梁端受力最大?？缰袖摳拱宓暮穸群蛷姸瓤梢赃m當(dāng)減小。5 結(jié)論該實驗的結(jié)果顯示了波形鋼腹板梁的一些受力特點，可為新型波形鋼腹板箱梁的理論設(shè)計和受力計算提供一些參考。本文介紹了用有限元計算軟件Abaqus建立波形