钢箱梁计算分析与案例详解

1、钢箱梁计算分析与案例详解汇报人：宋若雨 汇报时间：2021年6月目录/Contents01020304钢箱梁结构概述钢箱梁计算概述MIDAS梁单元分析MIDAS板单元分析01钢箱梁结构概述4钢箱梁结构概述钢桥的优点：（1）梁高较小，适用于建筑高度受限的场合，并相应的可以减少引桥长度；（2）钢结构自重较小，对于桥梁下部结构的抗震更为有利；（3）钢结构可以采用工厂预制拼装的方法，分节段运抵施工现场，施工快捷方便。（4） .钢箱梁较其他钢桥优点：（1）抗弯和抗扭刚度大，适合曲线桥和承受较大偏心荷载的直线桥；（2）箱式内部为密闭空间，隔绝空气和水的进入，有利于防腐或延长涂装寿命；（3）有利于提高架设效

2、率，可采用大节段整体吊装或顶推方法快速施工；（4）所有隔板均在箱式内部，外形简洁美观。（5） .5钢箱梁结构概述钢箱梁一般由顶板、底板、腹板、横隔板、横肋以及加劲肋等通过焊接或者栓接的方式连接而成。顶板兼桥面适用，由盖板和纵向加劲肋构成正交异性桥面板。6钢箱梁结构概述7钢箱梁结构概述8钢箱梁结构概述9钢箱梁结构概述10钢箱梁结构概述11钢箱梁结构概述12钢箱梁结构概述13钢箱梁结构概述14钢箱梁结构概述15钢箱梁结构概述16钢箱梁结构概述17钢箱梁结构概述18钢箱梁结构概述正交异性钢桥面板，是用纵横向互相垂直的加劲肋（纵肋和横肋）连同桥面盖板所组成的共同承受车轮荷载的结构。这种结构由于其刚度在

3、互相垂直的二个方向上有所不同，造成受力上的各向异性。19钢箱梁结构概述正交异性钢桥面板，是用纵横向互相垂直的加劲肋（纵肋和横肋）连同桥面盖板所组成的共同承受车轮荷载的结构。这种结构由于其刚度在互相垂直的二个方向上有所不同，造成受力上的各向异性。02钢箱梁计算概述21钢箱梁计算概述结构设计是对结构的强度、刚度、稳定、疲劳进行系统的研究。强度：从材料强度出发，确定结构的极限承载能力；刚度：结构的变形验算，保证行车舒适性和行车安全；稳定：包括整体的抗倾覆以及局部构件的失稳验算。疲劳：结构在循环车辆荷载作用下稳定性验算。钢箱梁有三个受力体系，分别为：第一体系：钢桥面板和纵向加劲肋作为主梁的上翼缘，与主

4、梁一同构成主要承重构件结构总体体系（支撑在桥墩支座上的整体受弯构件）；第二体系：由纵肋、横肋和桥面板组成的桥面系结构，其中桥面板被看做纵肋和横肋的共同上翼缘正交异性桥面板体系（支撑在腹板和横隔板上的受弯构件）；第三体系：仅指桥面板，它被视作支撑在纵肋和横肋上的各项同性的连续板盖板体系。22钢箱梁计算概述根据公路钢结构桥梁设计规范JTG D64-2015，完整的钢箱梁设计计算应包括以下内容：1 【5.3】受弯构件正应力验算5.1.8受拉部位应该考虑剪力滞影响，计算截面有效宽度；5.1.7/5.1.9受压部位除考虑剪力滞外还需考虑局部稳定，计算截面有效宽度；顶板计算时要求第一体系及第二体系叠加；底

5、板有压重时，底板也需考虑第一及第二体系叠加。第三体系直接承受车轮荷载，并把荷载传递给纵肋和横肋。桥面板应力呈薄膜应力状态，可具有很大的超额承载力。第三体系应力主要是沿横桥向应力，设计中只采用第一、第二体系组合而忽略第三体系应力。23钢箱梁计算概述根据公路钢结构桥梁设计规范JTG D64-2015，完整的钢箱梁设计计算应包括以下内容：2 【5.3】受弯构件腹板剪应力验算腹板在正应力和剪应力共同作用时，应验算24钢箱梁计算概述根据公路钢结构桥梁设计规范JTG D64-2015，完整的钢箱梁设计计算应包括以下内容：3 【5.3.2】整体稳定验算25钢箱梁计算概述根据公路钢结构桥梁设计规范JTG D6

6、4-2015，完整的钢箱梁设计计算应包括以下内容：4 【5.1.56】顶底板受压加劲肋结构尺寸及刚度验算26钢箱梁计算概述根据公路钢结构桥梁设计规范JTG D64-2015，完整的钢箱梁设计计算应包括以下内容：4 【5.1.56】顶底板受压加劲肋结构尺寸及刚度验算27钢箱梁计算概述根据公路钢结构桥梁设计规范JTG D64-2015，完整的钢箱梁设计计算应包括以下内容：4 【5.1.56】顶底板受压加劲肋结构尺寸及刚度验算28钢箱梁计算概述根据公路钢结构桥梁设计规范JTG D64-2015，完整的钢箱梁设计计算应包括以下内容：5 【5.3.3】腹板加劲肋结构尺寸及刚度验算29钢箱梁计算概述根据公

7、路钢结构桥梁设计规范JTG D64-2015，完整的钢箱梁设计计算应包括以下内容：5 【5.3.3】腹板加劲肋结构尺寸及刚度验算30钢箱梁计算概述根据公路钢结构桥梁设计规范JTG D64-2015，完整的钢箱梁设计计算应包括以下内容：5 【5.3.3】腹板加劲肋结构尺寸及刚度验算31钢箱梁计算概述根据公路钢结构桥梁设计规范JTG D64-2015，完整的钢箱梁设计计算应包括以下内容：6 【5.3.4】支撑加劲肋验算32钢箱梁计算概述根据公路钢结构桥梁设计规范JTG D64-2015，完整的钢箱梁设计计算应包括以下内容：7 【条文8.5】横隔板刚度验算33钢箱梁计算概述根据公路钢结构桥梁设计规范

8、JTG D64-2015，完整的钢箱梁设计计算应包括以下内容：7 【条文8.5】横隔板刚度验算34钢箱梁计算概述根据公路钢结构桥梁设计规范JTG D64-2015，完整的钢箱梁设计计算应包括以下内容：8 【5.5】疲劳验算只看疲劳车的作用效应，不组合其他荷载，且系数为1。构件和连接采用疲劳I模型计算不通过时，采用疲劳II模型计算。桥面系构件采用疲劳III模型计算。疲劳I采用多车道计算，疲劳II和疲劳III采用单车道计算。疲劳计算时不计冲击作用，但在伸缩缝附近是应乘增大系数。5.5.335钢箱梁计算概述根据公路钢结构桥梁设计规范JTG D64-2015，完整的钢箱梁设计计算应包括以下内容：8 【

9、5.5】疲劳验算36钢箱梁计算概述根据公路钢结构桥梁设计规范JTG D64-2015，完整的钢箱梁设计计算应包括以下内容：8 【5.5】疲劳验算37钢箱梁计算概述根据公路钢结构桥梁设计规范JTG D64-2015，完整的钢箱梁设计计算应包括以下内容：8 【5.5】疲劳验算38钢箱梁计算概述根据公路钢结构桥梁设计规范JTG D64-2015，完整的钢箱梁设计计算应包括以下内容：8 【5.5】疲劳验算39钢箱梁计算概述根据公路钢结构桥梁设计规范JTG D64-2015，完整的钢箱梁设计计算应包括以下内容：8 【5.5】疲劳验算40钢箱梁计算概述根据公路钢结构桥梁设计规范JTG D64-2015，完

10、整的钢箱梁设计计算应包括以下内容：8 【5.5】疲劳验算41钢箱梁计算概述根据公路钢结构桥梁设计规范JTG D64-2015，完整的钢箱梁设计计算应包括以下内容：9 【5.5】疲劳验算42钢箱梁计算概述根据公路钢结构桥梁设计规范JTG D64-2015，完整的钢箱梁设计计算应包括以下内容：10 【4.2.2】抗倾覆验算（结合混规4.1.8及条文说明）43钢箱梁计算概述根据公路钢结构桥梁设计规范JTG D64-2015，完整的钢箱梁设计计算应包括以下内容：11 【4.2.3】整体刚度（变形）12 【4.2.4】预拱度计算44钢箱梁计算概述根据公路钢结构桥梁设计规范JTG D64-2015，完整的

11、钢箱梁设计计算应包括以下内容：13 【6.26.3】连接（焊缝、螺栓）验算焊缝的各项力学性能参数不低于母材标准值，通常采用等强度设计，且焊缝构造尺寸应满足规范要求。角焊缝应根据受力大小验算焊缝焊脚高度。栓接应根据等强度原则或者根据内力计算螺栓的数量、拼接板的厚度以及根据构造规定确定螺栓孔的布置间距。03MIDAS梁单元建模46MIDAS梁单元建模以跨径40m，桥宽12m简支钢箱梁，演示说明MIDAS/Civil梁单元建模方法及过程。47MIDAS梁单元建模以跨径40m，桥宽12m简支钢箱梁，演示说明MIDAS/Civil梁单元建模方法及过程。48MIDAS梁单元建模以跨径40m，桥宽12m简支

12、钢箱梁，演示说明MIDAS/Civil梁单元建模方法及过程。49MIDAS梁单元建模以跨径40m，桥宽12m简支钢箱梁，演示说明MIDAS/Civil梁单元建模方法及过程。部位板厚（mm）顶、底板16腹板14顶、底板加劲肋16腹板纵向加劲肋12腹板竖向加劲肋14半高肋12普通横隔板12端横隔板20悬臂横隔板12支撑加劲肋2550MIDAS梁单元建模40m简支钢箱梁，为方便建模演示，各部位厚度按下表取值。51MIDAS板单元建模52MIDAS梁单元建模采用midas中截面特性计算器工具，制作钢箱梁截面。53MIDAS梁单元建模导入CAD中画好的截面。设置单位与CAD中相同。54MIDAS梁单元建

13、模根据一般构造中顶底腹板及加劲肋的厚度，设置线宽。55MIDAS梁单元建模指定闭合区域。56MIDAS梁单元建模若对于闭合截面没有指定闭合区域会导致截面惯性积Ixy与扭转惯性矩J计算不准确。对于单箱多室的钢箱梁截面，可以由顶底板和外侧腹板组成的闭合区域，这样得到的扭转惯性矩J比分别指定每个箱式的闭合区域计算得到的小，结果偏于保守。生成截面。57MIDAS梁单元建模导出截面ModelSectionExport58MIDAS梁单元建模59MIDAS梁单元建模60MIDAS梁单元建模使用扩展的方法生成模型根据结构的布置，按照以下间距生成580,21710,321000,21710,580这样方便后期

14、在这些节点上加载结构自重61MIDAS梁单元建模62MIDAS梁单元建模63MIDAS梁单元建模64MIDAS梁单元建模65MIDAS梁单元建模整体升降温按照升温25，降温25考虑。66MIDAS梁单元建模67MIDAS梁单元建模68MIDAS梁单元建模69MIDAS梁单元建模70MIDAS梁单元建模71MIDAS梁单元建模72MIDAS梁单元建模73MIDAS梁单元建模74MIDAS梁单元建模75MIDAS梁单元建模76MIDAS梁单元建模77MIDAS梁单元建模78MIDAS梁单元建模79MIDAS梁单元建模80MIDAS梁单元建模运行分析，得到结构的自振特性以及支反力，更新模型。81MI

15、DAS梁单元建模第一体系顶板最大压应力116.2MPa。82MIDAS梁单元建模底板最大压应力163.6MPa。83MIDAS梁单元建模程序提出腹板剪应力57.1MPa。是否可直接使用？84MIDAS梁单元建模程序提出腹板剪力5944044.3N，腹板面积2000144=112000腹板剪应力按照材料力学公式计算峰值剪应力：1.55944044112000=79.6MPa85MIDAS梁单元建模第二体系采用车辆荷载计算，将车辆荷载折算成一个肋上的荷载。=0.5 1.8 0.6 + 2 （1 + ） 纵肋间距； 铺装厚度；midas计算的冲击系数；0.6后轮着地宽度；0.5 轮重为单轴的一半；1

16、.8汽车局部加载冲击系数。计算得到=0.27186MIDAS梁单元建模87MIDAS梁单元建模88MIDAS梁单元建模第二体系顶板最大压应力79.7MPa，最大拉应力为94.6MPa。第一体系+第二体系：顶板最大压应力116.2+79.7=195.9MPa。89MIDAS梁单元建模验算顶板受压板件加劲肋刚度顶板受压加劲肋为刚性加劲肋，满足规范的构造要求，可认为满足结构局部稳定的要求，无需进行局部稳定验算。90MIDAS梁单元建模验算腹板加劲肋的刚度及间距腹板厚度14，设置一道纵向加劲肋，间隔2m设置一道腹板竖向加劲肋，腹板加劲肋的刚度和间距满足规范要求。91MIDAS梁单元建模验算支撑加劲肋支

17、撑加劲肋的设置满足规范要求。92MIDAS梁单元建模验算顶板受压局部稳定折减系数验算剪力滞折减系数部位第一体系第二体系折减系数结果限值顶板116.279.70.9221212.5270底板163.61163.6270腹板79.6-79.616093MIDAS梁单元建模各部位主要应力结果见下表。按最不利包络工况计算腹板折算应力，计算结果为0.55，满足规范要求。94MIDAS梁单元建模疲劳应力幅95MIDAS梁单元建模疲劳应力幅-顶板96MIDAS梁单元建模疲劳应力幅-底板97MIDAS梁单元建模顶板应力幅13.2MPa，底板应力幅21.2MPa，剪应力幅10.9MPa。正应力疲劳极限为0.73

18、7110=81.1MPa，考虑1.35系数，允许值为60.1MPa。剪应力疲劳极限为0.45780=36.6MPa,考虑1.35系数，允许值为27.1MPa。98MIDAS梁单元建模使用CDN进行抗倾覆验算。99MIDAS梁单元建模使用CDN进行抗倾覆验算。100MIDAS梁单元建模特别的，提取温度梯度作用下结构的应力，以为后续对比分析使用。04MIDAS板单元建模102MIDAS板单元建模因为正交异性钢桥面板以及钢结构的特殊受力状态，横向受力不容忽视，需要考虑剪力滞、局部稳定造成的应力折减以及第二体系的应力状态。但是使用常规的杆系模型计算钢箱梁的受力时，梁单元不能模拟横向的变化，虽然建模操作

19、简单，但是后续的计算分析较为繁琐，并且极容易出错。板单元是介于梁单元与实体单元之间的方法，使用MIDAS/Civil建立钢箱梁全桥的板单元模型，对结构进行计算分析，可以较为精准的分析出钢箱梁的应力大小及分布，结果较为直观可信。103MIDAS板单元建模104MIDAS板单元建模105MIDAS板单元建模从本质上说，面内刚度为膜单元刚度，即平面内两轴向刚度和垂直平面的扭转刚度；面外刚度对应板单元刚度，即平面内两个弯曲刚度和垂直平面的剪切刚度。一般对于实心板单元的面内、面外厚度取相同值，对于空心板单元就需要分别输入厚度。当程序计算板单元的自重时，采用的是面内厚度。如果用户只输入了面外厚度，程序取用

20、该值。钢箱梁中的板单元均为实体板，此处选面内和面外即可。106MIDAS板单元建模107MIDAS板单元建模普通断面建立108MIDAS板单元建模普通断面建立109MIDAS板单元建模普通断面建立将导入的线框扩展为板单元，但须按照一般构造，在横隔板、半高肋等位置预留出相应的节点，其余位置按500mm一个节点建立单元，扩展间距应为110MIDAS板单元建模普通断面建立重新赋予各位置钢板不同的厚度，并建立分组。111MIDAS板单元建模普通横隔板建立112MIDAS板单元建模普通横隔板建立113MIDAS板单元建模普通横隔板建立在导入的线框上建立板单元114MIDAS板单元建模普通横隔板建立在加劲

21、肋位置上扩展加劲肋115MIDAS板单元建模普通横隔板建立在加劲肋位置上扩展加劲肋116MIDAS板单元建模普通横隔板建立在加劲肋位置上扩展加劲肋117MIDAS板单元建模普通横隔板建立按一般构造普通横隔板的位置复制横隔板单元，并建立组，复制间距为114000118MIDAS板单元建模用相同的方法建立半高加劲肋、端横隔板、腹板竖向加劲肋的模型。119MIDAS板单元建模在普通断面模型中进行合并数据文件的操作。120MIDAS板单元建模使用相同的方法将其余部分合并进来。121MIDAS板单元建模定义荷载122MIDAS板单元建模定义荷载123MIDAS板单元建模定义边界条件为了避免支座位置处应力

22、集中，在支座位置将板单元扩展出实体单元建立支座。MIDAS板单元建模定义移动荷载为了桥面在移动荷载轮迹下产生应力集中干扰结果，在桥面上模拟一层铺装来分散车轮荷载，铺装采用实体单元，材料弹模取小值。车道面只能在板单元上定义，所以再实体单元上方还应再建立一层板单元，这层板单元应该用同实体单元相同的材料。这层板单元可以由桥面板直接复制过去，然后改变材料类型，也可以手动建立。这层板单元的多少直接影响计算得快慢，建议手动建立，手动建立时应注意技巧。124125MIDAS板单元建模定义移动荷载126MIDAS板单元建模定义移动荷载127MIDAS板单元建模定义移动荷载128MIDAS板单元建模定义移动荷载

23、129MIDAS板单元建模模型检查130MIDAS板单元建模模型检查131MIDAS板单元建模板单元模型无法完美的按梁单元的方法添加温度梯度作用，只能通过节点温度的方法近似模拟。本模型未在距顶板100/400mm位置处预留节点（大家也可以在建模的时候预留出这些节点，方便后期添加节点温度来模拟温度梯度），仅在200mm处有一排节点。顶板施加节点温度14和-7，200mm处施加节点温度3.66和-1.833。顶板及顶板加劲肋在节点温度模拟下的温度梯度应力为23.9MPa，与梁单元温度梯度结果较为接近。132MIDAS板单元建模底板及底板加劲肋在节点温度模拟下的温度梯度应力为7.2MPa，与梁单元温度梯度结果