某跨河钢便桥三维有限元数值模型建立及结构受力分析

某跨河钢便桥三维有限元数值模型建立及结构受力

分析

金冬甲

（中交二公局萌兴工程有限公司，陕西，西安 710119）

摘 要：针对西泇河向阳桥在改建过程中需要建设一座钢便桥来分流保通，为验证该钢便桥的结构受力是否符合规范要求，本文借助ANSYS三维有限元计算软件，基于设计文件及设计资料，对实例工程建立三维有限元计算模型，对模型结构受力进行了系统分析。从研究结果来看，实例工程最大弯矩、最大剪力、盖梁强度、单桩承载力均满足设计要求。实例钢便桥结构设计合理，符合规范要求。

关 键 词：钢便桥；三维有限元模型；结构受力；数值模拟

中图分类号：U615 文献标志码：A 文章编号：

The Analysis on steel bridge is established and its structure stressed by

three-dimensional finite element numerical model

Jin dong jia

（Zhongjiao Second Public Bureau Meng Xing Engineering Co., Ltd., Shaanxi, Xi'an570203)

Abstract: In the XiJia river xiangyang bridge in the process of reconstruction could need to build a steel to ensure the passage, to test and verify the structure of the auxiliary bridge steel conformed to the specification requirements, in virtue of ANSYS three-dimensional finite element calculation software, based on the design documents and data, to establish a three-dimensional finite element model, the model structure system is analyzed. According to the research results, the maximum bending moment, maximum shear force, strength of cover beam and single pile bearing capacity of the instance project meet the design requirements. The structural design of the steel bridge is reasonable and meets the requirements.

Key Words: Steel bridge; Three-dimensional finite element model; Force of structure; The numerical simulation

1 项目背景及概况

1.1 项目背景

西泇河向阳桥经过二十多年的使用，部分构件出现病害，存在安全隐患，根据检测报告评定结果，鉴定为四类危桥，道路管理养护部门对该桥采取了限行措施。为了满足两岸老百姓的出行需要和保证西泇河通航需求，该桥现在将进行拆除重建。此桥是泇口乡及附近村庄通往西泇河北岸的唯一陆上交通，如此桥拆除，将会严重影响两岸百姓生产生活，经当地镇政府要求，同时方便向阳桥主桥施工，经过现场考察，拟在向阳桥老桥东侧100米处搭设跨越西泇河的临时钢便桥。

1.2 桥梁设计方案

拟建钢便桥长约180m，桥面宽4m，采用下承式结构，单跨最大净跨径为30m(不含防护桩），其余为9米跨径。主梁通航孔为双层贝雷桁架片，其余为单层贝雷桁架片，横向联系梁为标准横梁工字钢，，桥面面板为8mm扁豆形花纹钢板，桥面纵梁为I12.6；桥面板尺寸为：2.0m×6.0m。桥面分配梁为I28a。下部结构采用管桩基础。便桥设计控制荷载为50t混凝土罐车车辆荷载。

图1 向阳桥临时钢便桥纵断面图

Figure 1. Longitudinal profile of temporary steel bridge in xiangyang bridge

1.3 工程地质资料

根据地质资料，便桥址处地质层次如下：

（1）层杂填土：粉土、黏土混杂，含石子、碎砖、石灰，分布不均。场地普遍分布，厚度：1.90-7.50m，平均5.13m；层底标高：23.07-25.25m，平均24.19。

（2）层黏土：棕红色，饱和，软-可塑，切面有光泽，干强度高，韧性高。场地普遍分布，厚度：0.90-4.10m，平均2.4m【fa0】=100kpa，回弹模量En=20Mpa。

（3）层粉土：灰褐色，湿，稍密-中密，摇震反应迅速，低干强度，低韧性。场区普遍分布，厚度：1.00-2.20m，平均1.60m。【fa0】=130kpa。

（4）层黏土：灰绿色，饱和，可塑，局部偏软，切面有光泽，干强度高，韧性高。场区普遍分布，厚度1.00-2.60m，平均1.93m。【fa0】=120kpa。

（5）层中粗砂：土层平均厚度3.4米，桩的极限摩阻为45kPa，容许承载力为300 kPa。

2受力要求

根据实例工程横断面布置形式可知，纵向桁架采用三排双层结构（图2），根据《装配式公路钢桥多用途使用手册》，其三排双层桁架梁结构内力值需满足下列要求：

弯矩值 M≤【Mu】=4653.2kN? m 剪力值 Q≤【Qu】=698.9kN

图2 向阳桥临时钢便桥纵向整体模型

Figure 1. Longitudinal integral model of temporary steel bridge in xiangyang bridge

3结构计算

借助ANSYS有限元计算软件，对实例工程的弯矩、剪力、盖梁强度、单桩承载力分别进行计算与校核。 3.1 弯矩计算

根据实例工程钢便桥的设计方案，跨中弯矩最大时车辆布载形式如图3所示。根据图3可知，弯矩最大时一个车道上作用车辆轴载位置。

图3 跨中弯矩最大时，纵桥向车辆布载形式

Figure 3. The middle bending moment is the maximum, the longitudinal bridge will take the form of vehicle 将图3中车辆车辆布载形式、车辆轴载位置代入有限元三维计算模型，可得最不利荷载作用下全桥弯矩图如图4所示。由计算结果可知，最不利荷载作用下的最大弯矩值为916.2KN?m， M=916.2kN?m≤【Mu】

=4653.2kN?m，满足抗弯满足要求。

图4 最不利荷载作用下全桥弯矩图

Figure 4. Full bridge bending moment diagram under the most adverse load

3.2 剪力计算

根据实例工程钢便桥的设计方案，支点处剪力最大时，纵桥向车辆布载形式见图5所示，由图5可知，支点剪力最大车辆轴载布置。

图5 支点剪力最大时纵桥向荷载布置形式

Figure 5. The maximum shear strength of the fulcrum is in the form of loading

将图5中车辆车辆布载形式、车辆轴载位置代入有限元三维计算模型，可得支点剪力最大时全桥剪力图如图6所示。由计算结果可知，支点剪力最大时的最大剪力值为635.4KN， Q=635.4kN≤【Qu】=698.9kN，满足抗剪满足要求。

图6 支点剪力最大时全桥剪力分布图

Figure 6. The maximum shear force distribution map of the fulcrum

3.3 盖梁强度计算

基于ANSYS有限元三维计算模型，对盖梁的最大弯应力与最大剪应力进行计算。其中，盖梁各支点反力值分布见图7所示。通过图7可知，最大反力值发生位置在最内侧支点处，最大值为851.2KN。

图7 盖梁结构各支点反力值分布示意图

Figure 7. The distribution diagram of the counterforce values of each support of the cover beam structure 根据ANSYS有限元三维计算结果，将盖梁的弯拉应力值分布云图、剪应力值分布云图绘于图8。计算结果显示，盖梁最大弯拉应力值为90.8MPa，最大剪应力值为72.8Mpa，均满足规范要求。

（a）盖梁的弯拉应力值分布云图

（b）盖梁的剪应力值分布云图

图8 盖梁的弯拉应力值、剪应力值分布云图

Figure 8. The bending stress value and shear stress distribution cloud map of cap beam

3.4 单桩承载力计算

（1）桩在土层中的相对位置

根据设计文件，桩基在土层中的相对位置如表1所示。