1、山东交通学院 20132014 学年第一学期研究生课程考试课程论文课程名称： 有限元分析及应用 课程编号： 07121005 课程属性： 必修课 论文题目: 波形钢腹板箱梁的数值仿真分析 研究生姓名: 李才 学 号: 13011011 研究方向： 港航、路桥与隧道工程 年 级: 研交通 131 评语:成 绩: 评阅教师: 评阅日期: - 1 -波形钢腹板箱梁的数值仿真分析李才土木工程学院 港航、路桥与隧道工程摘要：波形钢腹板梁是 20 世纪 20 年代出现的一种新型桥梁结构，由于有着突出的优点，它一出现就受到人们的关注。本文运用数字仿真软件 Abaqus 对一座实际桥梁进行仿真模拟试验，通过对
2、试验结果的分析，得出波形钢腹板箱梁的受力特点和工作特性，证明该新型桥梁的优点，为其设计和计算提供理论参考，为其利用有限元方法分析计算提供方法。关键词：波形钢腹板 箱梁 数值仿真 预应力混凝土1 波形钢腹板箱梁简介波形钢腹板梁是 20 世纪 20 年代出现的一种新型桥梁结构，由于波形钢腹板箱梁的有着突出优点，它一出现就受到人们的关注。波形钢腹板箱梁主要由混凝土顶底板波形钢腹板和体外预应力筋组成。法国在 1986 年法国建成了世界上第一座波形钢腹板组合箱梁桥。1988 年，ACSI 协会将波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁作为新型桥梁结构进行推广，立刻就得到各国桥梁工程师的广泛关注和应用。随着建成的波
3、形钢腹板组合梁桥数量的不断增加，其施工技术也在不断完善成熟，从常见的满堂支架法、悬臂法施工已逐步发展到支梁法、项推法、斜吊顶推法等，桥梁结构形式也由常规的简支梁、连续梁、连续刚构发展到脊骨梁桥、矮塔斜拉桥、斜拉桥、拱桥及悬索桥等多种桥型。目前该结构的理论研究成果尚不能完全满足工程设计的需要，而且已有的研究表明波形钢腹板箱梁不满足平面假定，故我们需要用空间有限元软件 Abaqus 进行分析，以使该结构的优点得到更充分的利用。波形钢腹板箱梁相对于传统钢筋混凝土梁具有众多的优点，节省混凝土用量，减轻自重；由于钢板颜色鲜艳，增加了桥梁的美观性；体外预应力筋使得在预应力筋损坏时可以灵活更换。为推广该组合
4、梁桥在我国的应用，为该组合桥梁的设计和计算提供理论参考和证明其结构优点，本文用空间有限元计算软件 Abaqus 对一座实例桥梁进行建模并进行数值仿真分析。- 2 -图 1 波形刚腹板箱梁实例图1.1 波形钢腹板梁的优点波形钢腹板组合箱梁有以下优点：1）波形钢腹板组合箱梁与一般的预应力砼箱梁相比，可以减轻腹板重量，从而减轻了主梁的重量，为改善受力，加大跨径提供了可能。2）波形钢腹板与平腹板相比，受力更加合理，更节省钢材。3）波形钢腹板具有较高的抗剪强度，避免了砼箱梁腹板容易出现斜裂缝的问题。4）抗震性能好，经济效益明显。由于上部结构自重的减轻，使得桥梁的抗震效果明显提高。5）结构受力合理，材料的
5、利用率较高。结构受力时钢材承担剪力，混凝土顶底板承担弯矩，有效利用材料。由于波形钢腹板预应力组合箱梁采用体外预应力承受活载，即使在长期运营后体外预应力筋出现磨损或断裂时，依然可以在夜间停止车辆通行后对其进行更换，以恢复承载力和进行结构加固。1.2 波形钢腹板箱梁的计算理论1）纵向抗弯计算- 3 -波形钢腹板在轴向力的作用下，横向变形很大，表现出来的等效荷载模量很小。波形钢板在纵向的等效弹性模量和板厚、波纹有关，可由下式计算=()2 (1)式中 Ex等效轴向弹性模量E钢材的弹性模量t板厚波纹的形状系数2）波形钢腹板的应力计算波形钢腹板主要承受剪应力。在设计中可以偏保守的假定结构所有的剪力都由波形
6、钢腹板承受，忽略混凝土顶板和底板对剪力的抵抗作用，从而计算出波形钢腹板所需要的最小厚度。波形钢腹板不仅承受剪应力，同时也承受横向弯曲所引起的弯曲应力，因此必须对波形钢腹板的合成应力进行验算，公式为（ )2+（ )2 (2)式中 拉应力抗拉强度剪应力抗剪强度安全系数，建议取值 1.2。1.3 波形钢腹板的屈曲稳定性计算3）波形钢腹板的屈曲破坏主要有三种模式（1）局部屈曲模式波形钢腹板某一个波段出现屈曲破坏现象，计算公式为， = 212(12)（ )2 (3)式中 局部屈曲强度， E 钢材的弹性模量v 钢材的泊松比b 腹板的厚度t 波段长K 屈曲系数，有K=5.34+4.00（ b/a)2 a/b
7、1K=4.00+5.34（ b/a)2 a/b1（2）整体屈曲模式指波形钢腹板整体出现屈曲破坏，计算公式为- 4 -， =36()1/4()3/42 (4)式中 整体屈曲强度， 波形钢腹板两端的固定系数E 钢材的弹性模量y 轴的惯性矩x 轴的惯性矩t 钢板的厚度b 腹板的高度(3)合成屈曲模式波形钢腹板同时出现局部屈曲和整体屈曲破坏现象，是介于局部屈曲和整体屈曲中间的屈曲模式，计算公式为=， 1+( ， ， )41/4 (5)式中 合成屈曲强度局部屈曲强度， 整体屈曲强度， 2 Abaqus 建模2.1 项目简介本项目是建立波形钢腹板箱梁模型，模拟该结构的受力，通过观察波形刚腹板箱梁在不同工况
8、下钢板的位移和受力变化，得出钢板的受力变化规律，得到结论，希望能够为这种结构的工程设计提供理论依据。该项目的模型为波形钢腹板箱形简支梁桥，预应力钢筋全长 18m，箱梁全长 18.5m，顶板宽度9.5m，底板 5.8m，梁高 2m。详细尺寸见下图 1-1；材料计算参数见表 1表 1 材料计算参数表材料名称 型号 弹性模量（MPa) 泊松比 备注混凝土 C50 34.5 0.167钢板 Q345 200/300 0.3预应力钢筋 5 15.2 195 0.3- 5 -波形钢腹板形状图 1 桥梁结构（单位 m）表 2 计算工况表工况 顶面均布荷载（kN/m) 跨中集中荷载(kN) 备注工况 1 10
9、 300工况 2 10 600工况 3 10 96002.2 在 abaqus/CAE 中建模1、定义几何模型将在 AUTOCAD 中画好梁的横截面图（见图 1）导入到 abaqus/CAE 中，通Part Create Part，创建一个拉伸实体，挖空腹板部分，即完成了箱梁混- 6 -凝土部分的创建所建立的三维实体如图 2图 2 混凝土实体模型同样使用拉伸的性能，创建一个三维可变形的波形钢腹板，由于桥梁是18.5m，所以近似尺寸取为 20m。图 3 为通过实体的 Linear Pattern 创建完成。图 3 波形钢腹板2、定义材料和截面特性变形体的每个区域都必须指定一个包含材料性质的截面属
10、性。要在Property 模块中创建 C50 混凝土、Q345 钢板、钢绞线三种线弹性的材料，C50混凝土的弹性模量 E 为 34.5MPa，泊松比 0.167；Q345 钢板的弹性模量为200MPa，泊松比为 0.3；钢绞线的弹性模量为 195MPa，泊松比为 0.3（见表 1） ，预应力钢筋全长 18m。 3、装配部件在 Assembly 模块中完成对各个部件的组装，钢绞线埋入到混凝土实体中。4、设置分析过程应用 Step 模块在初始分析部之后创建一个一般静态（static，general）分析步，此外还要指定分析结果的输出。5、接触模拟钢腹板和砼之间采用固结（tie）模拟，钢绞线埋入（E
11、mbeded）到底板中。6、荷载和边界条件- 7 -创建边界条件，在初始步里对梁的两端加约束，一端为铰接，一端为可滑动铰接。施加荷载，在梁的顶面加上一个均布荷载（pressure）10kN/m 和在梁的跨中加一个集中力 300kN/600 kN/ 900kN，模拟城市 A 荷载。7、网格划分混凝土顶底板的网格尺寸为 0.5m，由于我们主要是要了解和分析钢腹板的受力特点，钢腹板的网格尺寸为 0.2m。图 4 网格划分8、运行分析完成以上步骤后，设置好参数后进行提交分析（Submit） 。9、后处理提交完成后，点击 Results 便进入 Visualization 功能模块。位移和受力的云图见下
12、图- 8 -图 5 变形和内力云图4 结果分析从运算分析的结果云图中可以看出波形钢腹板箱梁的跨中挠度很小，翼板变形较大，主要是由于翼板悬臂太长，厚度较小造成的。从受力云图中可以看出波形钢腹板承受主要的拉力，跨中受力较小，两端受力较大。从而推测出靠近两端的钢腹板应该加厚或采用其他方法增加其承载力，跨中钢腹板在承载时受力较小，可以减小钢腹板的厚度。绘制 XY 图表，将钢腹板的的受力从跨中到端点的变化绘制成 XY 图表，以便更直观准确的观察出钢腹板的受力变化情况。即得到图 7图 6 选择节点- 9 -图 7 受力 XY 图图 8 位移 XY 图将绘制的 XY 图导入到 excel 表格中，结果如图
13、9 所示- 10 -工况 1工况 2- 11 -工况 3图 9 excel 中的钢腹板受力变化图表 1-3 各工况位移和应力工况 最大应力（MPa） 最大位移（mm）状态工况 1 59 8.0 弹性工况 2 69 3.4 弹性E 钢板=200MPa工况 3 342 22.0 破坏工况 1 57 2.4 弹性工况 2 67 2.8 弹性E 钢板=300MPa工况 3 368 18.0 破坏图 7 和图 9 为钢腹板上靠近下边缘的一系列点在外荷载作用下从跨中到端点的受力变化情况，从图和表中可以得出：1）从跨中到端点，波形钢腹板受力逐渐增大。2）钢板弹性模量的变化对钢腹板的受力影响不大。但对位移影响
14、较大。3）钢腹板主要承受剪力，且梁端受力最大。跨中钢腹板的厚度和强度可- 12 -以适当减小。5 结论该实验的结果显示了波形钢腹板梁的一些受力特点，可为新型波形钢腹板箱梁的理论设计和受力计算提供一些参考。本文介绍了用有限元计算软件Abaqus 建立波形钢腹板箱梁的建模过程，并进行了数值仿真分析。得出的数据仅供参考，因为模型所选用的边界条件模拟和荷载模拟等因素并不能完全和原型一样，而且没有原型实验验证。寻找一些更能真实反映原型的数值分析方法已经成为了研究的活跃领域。该试验项目只是波形钢腹板箱梁理论试验的冰山一角，对于这种桥梁的研究和分析还需要做很多的工作，为推动该桥梁在现实中的应用和使该结构的优点最大限度的服务于社会，我们需要做的还很多。
