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(hào)： 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(hào): 13011011 研究方向： 港航、路橋與隧道工程 年 級(jí): 研交通131 評(píng)語:成 績: 評(píng)閱教師: 評(píng)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(diǎn)，它一出現(xiàn)就受到人們的關(guān)注。本文運(yùn)用數(shù)字仿真軟件Abaqus對(duì)一座實(shí)際橋梁進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)，通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，得出波形鋼

2、腹板箱梁的受力特點(diǎn)和工作特性，證明該新型橋梁的優(yōu)點(diǎn)，為其設(shè)計(jì)和計(jì)算提供理論參考，為其利用有限元方法分析計(jì)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(diǎn)，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(huì)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(jìn)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(xiàng)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(jì)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(jìn)行分析，以使該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)得到更充分的利用。波形鋼腹板箱梁相對(duì)于傳統(tǒng)鋼筋混凝土梁具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)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(jì)和計(jì)算提供

4、理論參考和證明其結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，本文用空間有限元計(jì)算軟件Abaqus對(duì)一座實(shí)例橋梁進(jìn)行建模并進(jìn)行數(shù)值仿真分析。圖1 波形剛腹板箱梁實(shí)例圖1.1 波形鋼腹板梁的優(yōu)點(diǎn)波形鋼腹板組合箱梁有以下優(yōu)點(diǎn)：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(qiáng)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(jì)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(shí)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(yùn)營后體外預(yù)應(yīng)力筋出現(xiàn)磨損或斷裂時(shí)，依然可以在夜間停止車輛通行后對(duì)其進(jìn)行更換，以恢復(fù)承載力和進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固。1.2 波形鋼腹板箱梁的計(jì)算理論1）縱向抗彎計(jì)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(jì)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(jì)算波形鋼腹板主要承受剪應(yīng)力。在設(shè)計(jì)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(duì)剪力的抵抗作用，從而計(jì)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(shí)也承受橫向彎曲所引起的彎曲應(yīng)力，因此必須對(duì)波形鋼腹板的合成應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，公式為（ba)2+（ba)2 (2)式中b拉應(yīng)力 a抗拉強(qiáng)度 b剪應(yīng)力 a抗剪強(qiáng)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(jì)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(gè)波段出現(xiàn)屈曲破壞現(xiàn)象，計(jì)算公式為，L=E2121-v2（tb)2K (3)式中，L局部屈曲強(qiáng)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(jì)算公式為，G=36(EIy)1/4(EIx)3/4b2t (4)式中，G整體屈曲強(qiáng)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(shí)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(jì)算公式為=，L1+ ，L，G 4-1/4 (5)式中 合成屈曲強(qiáng)度 ，L局部屈曲強(qiáng)度 ，G整體屈曲強(qiáng)度2 Abaqus建模2.1 項(xiàng)目簡介本項(xiàng)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?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。該項(xiàng)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(jì)算參數(shù)見表1表1 材料計(jì)算參數(shù)表材料名稱型號(hào)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(jì)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(gè)拉伸實(shí)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(shí)體如圖2圖2 混凝土實(shí)體模型同樣使用拉伸的性能，創(chuàng)建一個(gè)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(shí)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(gè)區(qū)域都必須指定一個(gè)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(duì)各個(gè)部件的組裝，鋼絞線埋入到混凝土實(shí)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(gè)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(duì)梁的兩端加約束，一端為鉸接，一端為可滑動(dòng)鉸接。施加荷載，在梁的頂面加上一個(gè)均布荷載（pressu

11、re）10kN/m和在梁的跨中加一個(gè)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(diǎn)，鋼腹板的網(wǎng)格尺寸為0.2m。圖4 網(wǎng)格劃分8、運(yùn)行分析完成以上步驟后，設(shè)置好參數(shù)后進(jìn)行提交分析（Submit）。9、后處理提交完成后，點(diǎn)擊Results便進(jìn)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(yùn)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)在外荷載作用下從跨中到端點(diǎn)的受力變化情況，從圖和表中可以得出：1）從跨中到端點(diǎn)，波形鋼腹板受力逐漸增大。2）鋼板彈性模量的變化對(duì)鋼腹板的受力影響不大。但對(duì)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?qiáng)度可以適當(dāng)減小。5 結(jié)論該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示了波形鋼腹板梁的一些受力特點(diǎn)，可為新型波形鋼腹板箱梁的理論設(shè)計(jì)和受力計(jì)算提供一些參考。本文介紹了用有限元計(jì)算軟件Abaqus建立波形