山字形钢混叠合梁的横向支撑及支座处横膈板精密分析
山字形钢混叠合梁的横向支撑及支座处横膈板精密分析
1.简介
为了有效地使用材料，最近人们对去掉了上部翼缘的山字形箱梁的钢混叠合梁的使用越来越关注。但是有关山字形钢混叠合梁的分析与设计方法还没有普及，规范中对此也没有明确的阐述，所以在该类型桥梁的实际应用及推广中遇到了困难。为了提出一种适当的结构分析方法，下面介绍使用MIDAS/Civil程序用板单元建立山字形钢混叠合梁模型的方法和结构整体分析以及在应力集中位置的细部分析方法。
本文章中使用的桥梁模型如下:
?结构形式: 山字形钢混叠合梁
?跨 度: 60 + 70 + 60 = 190m
?桥宽: 18m
?每跨设置1~2个横向支撑
在钢箱梁设计中一般会忽略钢筋混凝土桥面板对横向荷载分配的影响，一般只考虑横向支撑的影响，所以会设置很多横向支撑。本文章中考虑了桥面板对荷载的横向分配的影响，在边跨设置了一个横向支撑，中间跨设置了两个横向支撑。
另外，在主梁内部跨中位置以一定的间距设置了H型截面的斜支撑，这些内部支撑约束了截面的翘曲(Warpi ng)；为了提高主梁腹板和下部翼缘的抗屈曲能力，设置了U型加劲肋。桥梁形状如图1所示。
图1. 山字形钢混叠合梁桥梁模型
图2. 开放截面的U 型加劲肋、横向支撑以及支座处横膈板
开放截面的U 型加劲肋、内部斜支撑和横膈板、上部翼缘以及横向支撑的形状如图2所示。
为了更准确地模拟结构的反应以及钢筋混凝土楼板的横向荷载分配效果，将变截面的山字形主梁均用板单元进行了模拟。
在以往的设计中，因为建模的繁琐、分析时间的过长、对分析结果的整理的繁琐以及无法直接应用到设计中等多种原因，很多设计人员多采用了梁单元对结构进行了简化处理。但最近因为网格自动划分技术的发展、前后处理技术的改善，使用更能准确地描述结构的板单元或实体单元对结构进行模拟已成为结构分析的趋势。
2. 建模和分析方法
本例题按下面两个步骤进行分析。
第一, 为设计主梁而进行的移动荷载分析。
第二，为了验算横向支撑以及支座位置横膈板处的应力，做细部分析。
在第一个阶段施加了恒荷载和活荷载，按较大网格板单元建立了全桥模型。在分析结果中查看位移和应力结果并根据规范的规定进行验算。该过程因为与一般钢箱梁的验算过程相同，在此不再赘述。在第一阶段中只对一般设计人员不太熟悉的山字形箱梁的建模方法进行说明。
在第二阶段中为了把握不可预知的应力集中现象，并使设计更安全，需要将板单元进行进一步的细分。因为在横向支撑位置和横膈板位置应力较为复杂，应力集中的现象也较为突出，在第二阶段将这些位置的细部分析模型包含在整体模型中进行分析。
因为在规范中没有对该类型桥梁截面验算进行阐述，所以在本文中将使用最大畸变能量理论(Maximum distortion energy theory)对细部的有效应力(von Mises stress)与容许应力进行比较验算。
2.1 分析
第一阶段的建模步骤如下:
? 掌握和理解全桥形状。 ? 定义使用的材料和厚度。
? 将腹板和下部翼缘的U 型加劲肋换算成等效厚度，加大腹板和下部翼缘板的厚度。 ? 使用单元扩展等命令建立主梁模型。 ? 使用板单元建立支座位置横膈板模型。
U 型加劲肋
H 型斜支撑
横向支撑
加固节点板
?使用梁单元建立H型斜支撑和横向支撑模型。
?支座处支座位置的板单元定义为刚性平面(使用刚性连接命令)。
?用板单元在桥面板中心位置建立桥面板模型后，用刚性连接将翼缘板和桥面板连接起来。
?为了做影响线分析，在桥面板上建立虚拟梁单元。
使用MIDAS/Civil简便建立山字形钢混叠合梁模型的步骤如下：
① 使用梁单元建立截面形状(使用建立单元命令）
② 将梁单元扩展成板单元(使用扩展单元命令)
③ 在变截面区域选择下部翼缘向下投影移动(使用投影节点命令)
④ 将较大的板单元细分(使用分割单元命令)
⑤ 完成主梁建模(使用镜像单元命令)
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图3. 变截面山字形钢混叠合梁建模步骤
H型截面的斜支撑和横向支撑用梁单元来模拟，在以后做横向支撑连接位置的细部分析时，需对该部分再次细分。
H截面斜支撑横向支撑
图4. H型截面的斜支撑和横向支撑
按上述方法建立了钢梁和上部桥面板模型后，用刚性连接(使用刚性连接命令)模拟剪力键将钢梁上部翼缘与混凝土板连接起来。另外建模时没有建立U型加劲肋而是将U型加劲肋替换为等效的板厚度，支座位置的加劲材料也没有真实建模，而是将在支座位置的下部翼缘用刚性连接(使用刚性连接命令)连接起来。
钢梁翼缘与桥面板的刚性连接
支座位置的刚性连接
图5. 刚性连接位置
在板单元模型中虽然可以做影响面分析，但为了节省计算时间在本文的例题中使用了影响线分析，即建立了虚拟梁(传递活荷载)，然后以虚拟梁为基准定义了车道。
分析得到的位移和有效应力结果如下。
图6. 活荷载作用下的位移等值线图
图7. 主梁的有效应力(von Mises stress)等值线图
2.2 连接位置细部分析
细部分析建模步骤如下：
? 细分横向支撑位置(管材、节点板、横膈板以及内部斜支撑)的构件和支座位置的横膈板位置(支座加劲材、横膈板、管材以及节点板)的构件。
? 将细部分析模型插入到整体分析模型中时，为了保证两个模型的连续性，将两个模型用刚性连接连接起来。 ? 为了查看细部分析模型的应力，将活荷载转换为静力荷载加载。
细部分析模型的位置如图八所示。
图8. 细部分析模型在整体模型中的位置
多面相交的斜向支撑以及支座位置的横膈板的单元很难用人工来细分，此时可利用MIDAS/MESH 程序中的网格自动划分功能进行细分后，再将细分后的模型导入到MIDAS/GENw 中。
将建立的细部分析模型导入到整体桥梁模型（单元划分较粗）中时，为了保证两种模型的连续性将两个模型用刚性连接连接起来（参见图9）。
图9. 细部分析模型与 横向支撑及支座横膈板与整体模型的连接状态(刚性连接)
考虑到细部分析时的单元数量较多以及分析时间较长，将活荷载转换为梁单元静力荷载进行分析。通过移动荷载追踪器可查到横向支撑管材产生内力最大值及支座位置产生最大反力时的活荷载位置(参见图10、11)。
图10. 引起支座最大反力时的移动荷载位置
图11. 横向支撑上部、下部管材发生最大轴力时的移动荷载加载位置
查到活荷载的最不利加载位置后，将活荷载转换为静力荷载(考虑冲击系数)加载到分析模型中。
3.分析结果
两个阶段的分析结果如下。
分析结束后，为了评价应力情况需要选择破坏准则。根据使用的材料(延性或脆性)、作用的荷载(轴心受拉、轴心受压、剪切等)的不同，选择的破坏准则会有不同。
本课题中使用的钢材为延性材料，所以使用依据最大畸变能量（Maximum distortion energy theory）计算的有效应力(von Mises stress)与容许应力进行比较应比较适合。
根据查看细部分析结果的有效应力，在横向支撑位置和节点板位置没有发生明显的应力集中现象。这说明钢筋混凝土桥面板在横向荷载分配上起到了很重要的作用，即使用钢筋混凝土桥面板和少数的横向支撑，活荷载在横向的传递过程比较顺畅。
图12. 横向支撑上的有效应力(von Mises stress)
在支座横膈板处的支座位置发生了较大的有效应力，但仍没有超过有效应力，在横膈板的上部也没有发生应力集中现象，表明即使是上部山字形截面上的横膈板也是安全可靠的。
图13. 支座位置横膈板处的有效应力(von Mises stress)