钢箱梁正交异性板受力有限元研究

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1、钢箱梁正交异性板受力有限元研究　　摘要：针对钢箱梁正交异性板结构，建立有限元模型，并进行了计算分析和实测对比。结果表明，（1）相对于传统解析法，有限元法能较好的模拟钢箱梁正交异性板的实际受力状态；（2）在钢箱梁正交异性板局部加载中，最不利的横向荷位为加载在U肋之上，且轮位中心处应力值最大；（3）纵向最不利荷位为横隔板中间处，最大应力值在中间轮外侧；（4）钢箱梁正交异性板整体刚度较大，横向车辆增加时对应的应力增加并不明显。关键词：钢箱梁正交异性板，有限元法，不利荷位，健康监控中图分类号：F407.472文献标识码：A文章编号：1．引言正交异性设计应用始于二战后的德国，而我国的应用始于20世纪80

2、年代，到90年代才开始大规模的使用，并得到迅速发展。迄今为止，我国已建造的采用正交异性钢桥面板的桥梁有30余座[1][2]，更是促进了正交异性钢桥面的发展和应用。7这些大跨度斜拉桥和悬索桥主要采用钢箱梁，正交异性板除作为桥面外，还是主梁截面的组成部分，它既是纵横梁的上翼缘，又是主梁的上翼缘，传统的分析方法是把它分成三个结构体系加以研究，即：主梁体系、桥面体系和盖板体系[3]。随着有限元技术的逐步成熟，研究人员越来越倾向于运用有限元法来分析研究，而且利用有限元分析法可以较好的模拟钢箱梁正交异性板整体受力特点[4]。为此，本文以军山大桥钢箱梁正交异性板为研究对象，利用有限元法分析其整体受力特点，为

3、该结构形式的设计与健康监控提供参考。2．局部加载模型及有限元计算2.1有限元模型建立参数取军山大桥A类梁段构造，沿钢箱梁纵向取4×3m（含3个横隔板，横隔板间距3m）作为计算分析对象，整个模型纵向长12m，横向对称的取钢箱梁一半，除没有考虑横隔板的人孔和各构件之间的焊缝外，有限元模型真实地模拟了12m长的钢箱梁节段，包括横隔板上的加劲肋、U肋、纵隔板及其他加劲肋。实桥钢箱梁有限元模型见图1-1所示，其中钢箱梁采用shell181板壳单元模拟，桥面沥铺装层采用solid65实体单元模拟，泊松比0.2，密度1200kg/m3；纵向一端约束Ux、Uy、Uz，另一端约束Ux、Uy，横向对称约束。表1-

4、1各组成构件的详细尺寸7图1-1有限元模型图2.2横桥向最不利荷位分析横桥向最不利荷位时，根据U形加劲肋和正交异性钢桥面板的几何特性，考虑车载相对加劲肋不同横向位置对正交异性钢桥面板有不同的影响，且U肋间距为600mm，U肋开口为300mm，车载按图2-1横向布置图所示分两种情况，即：荷位1——车载施加于U肋中心的正上方；荷位2——车载施加与两U肋中心之间的正上方，汽车后轴作用与两横隔板的跨中A——A，见图2-2纵向布置图所示。加载汽车为三轴载重汽车（重300kN，同静载试验所述），纵向轴距分别为3600mm、1200mm，横向轴距为1800mm（见图2-2），前轴重60kN，中轴重120kN

5、，后轴重120kN，轮压面积为200mm×300mm。图2-1轮位横向布置图图2-2轮位纵向布置图一辆车加载时，汽车作用在第二车道，横向布置见图2-1，纵向布置同图2-2，考察A-A断面正交异性钢桥面板的应力分布情况。其中，轮位1最大主应力σ1为20.958MPa，横向最大拉应力20.940MPa，发生部位桥面板D处；轮位2最大主应力σ1为14.534MPa，横向最大拉应力为14.522MPa，发生部位桥面板C处（见图2-3）。图2-3最大应力发生位置示意图7图2-4轮位1作用下A-A断面图2-5轮位2作用下A-A断面正交异性钢桥面应力值（一辆车）正交异性钢桥面应力值（一辆车）在计算的数据分析

6、可得，A-A断面正交异性钢桥面板的横向最大拉应力σxmax均远远大于纵向最大拉应力σzmax，同时可以看到横向最大拉应力σxmax与最大主应力σ1很接近，因此可以将横向拉应力作为正交异性钢桥面板局部加载应力情况的一个重要控制指标。根据图2-4~2-5中横向及纵向应力沿A-A断面横向分布情况可以看出，A-A断面正交异性钢桥面板的横向及纵向应力只在轮压面积范围内出现相对较大值，在其他位置处的应力几乎为零，说明桥面板的刚度较大。比较轮位1和轮位2作用下正交异性钢桥面板的各向应力值可以看出，轮位1较轮位2的各向应力值大，说明顶板U肋的刚度较大。2.3纵桥向最不利荷位不同纵向位置的加载对图2-3最大应力

7、发生位置中所示的A、B、C、D、E、F有扭转效应，以下分析不同纵向位置荷载作用时，正交异性钢桥面板最大横向拉应力分布情况。7由于车辆加载时，正交异性钢桥面板最大横向拉应力增长较小，分析纵桥向的不利荷位时，采用一辆车加载，横桥向荷载位置采用前面分析的不利荷位1，根据纵向荷载位置距A-A断面距离分别定义为工况1~工况6。图2-6为轮位纵向变化时A-A断面正交异性钢桥面板横向拉应力变化图，由于车轮两纵轴