劉亞瓊

懸挑式框架橋的有限元分析

劉亞瓊

結(jié)合 16m框架橋的工程實(shí)例,通過(guò) Midas有限元軟件建模分析,介紹了框架橋?qū)嶋H工程的模型建立、邊界條件、荷載計(jì)算及組合方法,對(duì)框架橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)意義。

框架橋,Midas,有限元,移動(dòng)荷載

本橋結(jié)構(gòu)形式為 16m框架橋;既有線(xiàn)與新建道路中心線(xiàn)交角為 90°,框架橋按正交進(jìn)行設(shè)計(jì)?？蚣軜蝽敯屙斆婢噼F路鋼軌底面為 60mm,結(jié)構(gòu)總高度 8.6m,結(jié)構(gòu)凈高 7.5m,頂板厚 1m,底板厚 1.1m,邊墻厚為 1m,頂板加腋均采用 0.5m×1.5m,底板加腋均采用 0.2m×0.2m,框架橋主體全長(zhǎng)為 13m,頂板兩邊分別懸挑 1m,1.5m。全橋采用C35混凝土。

1 主要設(shè)計(jì)荷載

1)結(jié)構(gòu)自重：混凝土的容重取 26 kN/m3。2)橋面二期恒載：

橋面二期恒載集度為G1=21.42 kN/m2。

懸挑部分考慮電纜槽、欄桿扶手重,荷載集度為G2=9 kN/m。3)水平土壓力：

主動(dòng)土壓力系數(shù)按以下公式計(jì)算：

4)列車(chē)活載：鐵路列車(chē)豎向靜活載“中—活載”。在 Midas模型中設(shè)車(chē)道,使用移動(dòng)荷載進(jìn)行計(jì)算。

5)人群活載：在 Midas模型中設(shè)人行道,使用移動(dòng)荷載加載。

6)汽車(chē)活載：在 Midas模型中設(shè)車(chē)道,使用移動(dòng)荷載加載。

7)降溫 15℃：將結(jié)構(gòu)的頂板、邊墻整體降溫 15℃來(lái)近似模擬混凝土收縮徐變效應(yīng)。

8)制動(dòng)力：根據(jù)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算。

9)沖擊力：根據(jù)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算：

2 計(jì)算模型(三維模型)

考慮到框架橋兩側(cè)懸挑,為了分析的全面性,按照設(shè)計(jì)尺寸對(duì)框架橋建立空間分析模型,沿橫向、縱向取 0.5m,1m劃分單元,節(jié)點(diǎn)共計(jì) 1 481個(gè),單元共計(jì) 1 208個(gè)。基礎(chǔ)對(duì)底板的約束采用土彈簧進(jìn)行模擬。

3 邊界約束

基礎(chǔ)對(duì)底板的約束用土彈簧來(lái)模擬,豎向地基系數(shù) C0=m0l,m0為豎向地基系數(shù)隨深度增加的比例系數(shù);l為入土深度,根據(jù)C0來(lái)確定彈簧剛度系數(shù)。

4 荷載工況與組合

1)靜力荷載工況見(jiàn)表 1。

表1 靜力荷載工況

2)移動(dòng)荷載工況見(jiàn)表 2。

表2 移動(dòng)荷載工況

3)荷載組合見(jiàn)表 3。

表3 荷載組合

5 計(jì)算結(jié)果

按照上述對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析,考慮移動(dòng)荷載作用下框架橋各控制截面的內(nèi)力如下。

5.1 頂板控制截面

1)頂板上緣(邊墻處)。頂板上緣控制截面位于頂板與邊墻交接處。恒載 Mmin=-920 kNm,Fmin=-144.6 kN;活載 Mmax=28.2 kN m,Fmax=25.7 kN;Mmin=-553 kN m,Fmin=-110 kN。

2)頂板下緣(跨中)。頂板下緣控制截面位于框架跨中頂板處。恒載 Mmax=923.65 kNm,Fmax=-68.9 kN;活載 Mmax=504 kN m,Fmax=4.7 kN;Mmin=-0.6 kN m,Fmin=-56.4 kN。

5.2 底板控制截面

1)底板下緣(邊墻處)。底板下緣控制截面位于底板與邊墻交接處。恒載 Mmin=-581.9 kNm,Fmin=-161 kN;活載Mmax=

74.6 kN m,Fmax=52.8 kN;Mmin=-189.9 kN m,Fmin=-24 kN。2)底板上緣(跨中)。底板上緣控制截面位于底板框架跨中。恒載 Mmax=434.5 kNm,Fmax=-271.3 kN;活載 Mmax=232.7 kN m,

Fmax=65 kN;Mmin=-24.6 kN m,Fmin=-9 kN。

5.3 邊墻控制截面

1)邊墻外側(cè)(頂板處)。邊墻外側(cè)控制截面一位于底板與邊墻交接處。恒載 Mmin=-971.6 kNm,Fmin=-742.8 kN;活載Mmax=28.6 kN m,Fmax=225.6 kN;Mmin=-537.9 kN m,Fmin=-468.3 kN。

2)邊墻內(nèi)側(cè)(邊墻中部)。邊墻內(nèi)側(cè)控制截面位于邊墻中部。恒載 Mmin=-674 kNm,Fmin=-1 611.7 kN;活載 Mmax=7.6 kNm,Fmax=123.9 kN;Mmin=-326.6 kN m,Fmin=-364.8 kN。

3)邊墻外側(cè)(底板處)。邊墻外側(cè)控制截面二位于邊墻與底板交接處。恒載 Mmin=-575.6 kNm,Fmin=-1 044 kN;活載Mmax=80.6 kNm,Fmax=263.5 kN;Mmin=-242.2 kN m,Fmin=-506.7 kN。

5.4 懸挑板

懸挑頂板上緣控制截面位于與主體框架頂板交接處。恒載Mmin=-40.6 kNm,Fmin=-17.3 kN;活載 Mmax=6.9 kN m,Fmax=2.3 kN;Mmin=-15.4 kN m,Fmin=-3.6 kN。

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì) 16m懸挑式框架橋建立 Midas空間模型進(jìn)行有限元分析,介紹了框架橋主要設(shè)計(jì)荷載的計(jì)算及邊界條件的輸入,并且進(jìn)行荷載組合分析后得出最不利工況下的內(nèi)力值、地基反力值,可以應(yīng)用于截面檢算和地基承載力檢算,在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中可以很好的應(yīng)用。本文詳細(xì)的荷載計(jì)算方法及荷載組合方法對(duì)框架橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和Midas建模的學(xué)習(xí)有一定的指導(dǎo)作用。

[1]TB 10002.1-2005,鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].

[2]TB 10002.3-2005,鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]TB 10002.5-2005,鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

On finite element analysis of cradle frame bridge

LIU Ya-qiong

Combining with theengineering example of 16m frame bridge,the paper undertakes themodelanalysis by usingMidas finite element software,and introduces themodel establishment,the boundary conditions,the loading calculation and the combination methods for the factual projects of the frame bridges,so as to have the direction significance for the structural design of the frame bridges.

frame bridge,Midas,finite element,mobile loading

U 448.2

A

1009-6825(2011)03-0163-02

2010-10-08

劉亞瓊(1982-),女,碩士,中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司鄭州分院,河南 鄭州 450000