变高钢桁组合梁实例模拟及要点

变高钢桁组合梁实例模拟及分析要点钱

江01

钢

桁

结

构

受

力

特

点02

结

构

建

模

关

键

要

点03

施

工

过

程

分

析

要

点04

计

算

结

果

提

取

说

明目录01钢桁结构受力特点钢

桁

架

结

构

基

本

组

成主桁：上下弦杆、腹杆（竖杆、斜杆）弦杆：承担荷载产生的轴力（拉/压）；腹杆：承担剪力。上弦杆中间横联联结系：纵联、横联上平纵联纵联：抵抗水平向荷载，为主桁提供侧向支撑；下弦杆下平纵联横联：使主桁横向成为几何不变体系，提高主桁的抗扭能力。桥门架竖杆斜杆纵梁桥面系：纵梁、横梁横梁将移动荷载传递给主桁节点。端

部

斜

杆

节

点

破

坏

案

例

—

美

国佛

罗

里达

人

行桥事故情况：1、FIU天桥项目连接佛罗里达大学校园和斯威特沃特市区。2018年3月15日下午1:45左右，天桥在施工中倒塌。1名工人和5名乘坐汽车的行人死亡，另一名工人永久性致残。2、FIGG将该桥设计为一个连续的单桁架混凝土桥，桥面宽9.65m，顶篷宽4.9m，桥板和顶篷之间的高度大约是4.5m。端

部

斜

杆

节

点

破

坏

案

例

—

美

国佛

罗

里达

人

行桥端

部

斜

杆

节

点

破

坏

案

例

—

美

国佛

罗

里达

人

行桥主要原因：1、该桥存在结构设计缺陷，由于结构设计缺陷，导致桥梁出现裂缝，并导致其最终在第三阶段倒塌。2、根据FDOT要求，顾问对EOR的设计进行独立的同行评审，没有检查桥梁在不同施工阶段的结构完整性，这违反了FDOT的要求。调查发现，独立检查仅在桥梁的所有部分都建成的最终设计阶段进行。常

见

钢

桁

架

桥

结

构

形

式国

内

桥

梁

行

业

—钢

桥

相

关

规

范《公路桥涵设计通用规范》《公路钢结构桥梁设计规范》《铁路桥梁钢结构设计规范》《公路钢管混凝土拱桥设计规范》JTG/T

D65-06-2015JTG

D60-2015JTG

D64-2015TB

10091-20172015年12月1号实施2015年12月1号实施2017年5月1号实施2015年12月1号实施02结构建模关键要点工

程

概

况本桥为变截面钢桁组合梁连续刚构桥，跨径组合为100m+176m+176m+100m，桥宽16.75m，主桁架桁高5.5~16m，标准节间水平长12m。两片主桁架弦杆中心距为9.5m，主桥下部结构采用空心薄壁墩，最大墩高106m。采用C50预制混凝土桥面板，桥面板后浇带采用C50自密实微膨胀混凝土，墩顶局部负弯矩区后浇带采用UHPC超高性能混凝土。设计标准：1）公路等级：双向六车道高速；2）设计时速：100Km/h；3）设计荷载：公路—I级；4）桥梁宽度：2×16.75m；5）地震设防：峰值0.05g；6）安全等级：一级；建

模

要

点

—

桥

面

系

模

拟桥面系模拟：混凝土桥面板采用纵横梁梁格体系，将桥面板拆分为三个纵梁，横梁通过虚拟横梁连接，混凝土板与上弦杆采用刚臂连接，同时上部结构移动荷载采用横向联系梁加载模式。建

模

要

点

—

双

单

元

扩

展

说

明双单元模拟要点：1、双单元模拟方法，适用面较广，对于钢混组合梁、波形钢腹板，钢管混凝土拱桥、桥梁加固等计算，均可以使用；2、两者之间用刚臂连接，可以采用弹性连接刚性，或者刚性连接；3

注意施工阶段激活时候，边界的激。建

模

要

点

—

双

单

元

扩

展

说

明模拟要点：索塔连接与索梁连接，采用弹性连接刚性与刚性连接均可，但是需要注意两者的作用机理，弹性连接刚性是取模型最大刚度的10的5次方倍，刚性连接是主从约束；另外还需要注意激活主塔与主梁时，直接带刚臂一起激活；建

模

要

点

—

双

单

元

扩

展

说

明模拟要点：1、主梁混凝土板与钢结构部分，建模时候可以采用双单元模拟，两者之间用刚臂连接，但是需要划分相对密一些；2、施工过程正装模拟时，在激活钢结构部分，需要一起激活与混凝土刚臂，保证混凝土部分与钢结构变形协调；3、对于查看结果出现应力锯齿状问题，可以把截面定义中“剪切变形”给去掉，这样可以减小深梁效应的影响。建

模

要

点

—

桁

架

结

构

模

拟注意：全焊钢桁架结点具有很大的刚性，同时由于制作误差，各杆的轴线不一定完全交于一点。所以一般情况，建议上下弦杆、腹板等用梁单元模拟，联结系可以考虑桁架单元，但是要特别注意桁架单元建模时候，不要中间有断开节点。建

模

要

点

—

节

点

板

重

量

考

虑

计算钢桁结构时候，要特别注意，不能忽略节点板的重量，这部分占比不小，可以采用节点位置直接施加节点荷载，或者是提高钢结构容重放大，最后可以通过支反力的大小来检验；

类似计算，在悬索桥分析中，主缆的容重也不是78.5，需要有额外的提高；

桥面系梁格结构的虚拟横梁，容重可以定义为0，同时不考虑其横向温度计收缩徐变作用，不考虑其线膨胀系数。建

模

要

点

—

边

界

模

拟边界要点：墩梁固结位置采用主从性刚性连接，墩顶作为主节点，桁架下平联作为从属节点。保证墩顶桁架的节点的耦合，避免应力峰值。支点位置底部混凝土采用板单元模拟，采用梁板组合结构模拟；建

模

要

点

—

支

点

位

置

U

HP

C

模

拟支点位置模拟：1、支点位置，采用UHPC混凝土板，更多是为了减小支点位置混凝土板的开裂问题，提高混凝土耐久性；2、思考：对于抗拔不抗剪剪力钉的结构，如何做才能更好模拟结构真实受力呢？建

模

要

点

—

支

点

位

置

混

凝

土

开裂

模

拟首先对于规范原文的理解，计算开裂截面的惯性矩，不考虑受拉区混凝土对刚度的影响。如右图断面所示，可以采用等效弹性模量的方法来模拟，求得换算等效弹性模量后，替换混凝土材料的弹性模量即可，当然还需要注意一个问题，就是开裂范围的准确模拟。建

模

要

点

—

梁

板

组

合

结

构

扩

展说

明类似结构模拟：顶板、底板、腹板可以用板单元，加劲肋可以用梁单元。建

模

要

点

—

移

动

荷

载

定

义竖向基频

1.14建

模

要

点

—

移

动

荷

载

定

义注意要点：

新《通用规范》车道-I级的集中荷载Pk值，当小于5m时，由原规范180KN提高至270KN；

新《通用规范》的多车道折减系数，单车道由原规范的1.0提升至1.2；

需要注意是，车道荷载计算时候当考虑剪力效应时候，集中荷载Pk值需要乘以放大系数1.2；建

模

要

点

—

支

座

沉

降

定

义思考：对于4*30m，支点梁高5m，跨中1.6m，采用变截面现浇箱梁，会有什么问题？03施工过程分析要点施

工

分

析

要

点

—施

工

过

程

模

拟必

要

性施

工

分

析

要

点

—施

工

过

程

模

拟必

要

性一次成桥的内力状态悬臂施工的成桥内力状态先简支后连续法施工的成桥内力状态施

工

分

析

要

点

—各

种

位

移

的

含义当前步骤位移，当前阶段位移，实际总位移，考虑预拱度位移的含义？施

工

分

析

要

点

—各

种

位

移

的

含义施工阶段模型当前步骤位移当前阶段位移

当前步骤位移：当前施工阶段结构体系，在当前施工荷载作用下的结构位移。

当前阶段位移：直到当前施工阶段，施工荷载产生的累计位移。

实际的总位移：考虑构件切向安装的输出位移。阶段/步骤实际总位移施

工

分

析

要

点

—施

工

过

程

分

析施工过程：施工下部结构——缆索吊机施工0号段——对称施工两侧钢桁架节段——边跨合龙——中跨合龙——安装预制混凝土板——浇筑正弯矩区混凝土现浇段——浇筑负弯矩区混凝土现浇段——二期铺装施工——考虑十年收缩徐变；施

工

分

析

要

点

—施

工

过

程

混

凝土

湿

重模

拟施

工

分

析

要

点

—施

工

过

程

混

凝土

湿

重模

拟

—扩展

说

明模拟要点：1、组合梁施工过程模拟时候，一般是先施工钢梁，再施工混凝土桥面板。因此在模拟时候，需要注意，先模拟混凝土板湿重，然后再激活混凝土板，钝化湿重；2、与斜拉桥索梁刚臂模拟类似，双单元组合梁模拟时候，一样先激活钢梁时候，同时激活刚臂，这样可以保证混凝土部分与钢结构部分变形协调。施

工

分

析

要

点

—施

工

过

程

混

凝土

湿

重模

拟

—扩展

说

明方法1：先激钢梁，后同时激活刚臂和桥面板方法2：先激钢梁和刚臂，后激活桥面板施

工

分

析

要

点

—如

何

考

计

算

最大

悬

臂状

态

的屈

曲

模态施

工

分

析

要

点

—如

何

考

计

算

最大

悬

臂状

态

的屈

曲

模态结果：一阶屈曲模态为4号墩顺桥向失稳，其特征值系数为19.1大于4.0，满足规范要求。04计算结果提取说明施

工

阶

段

静

力

计

算

结

果最大悬臂状态上下弦杆应力（MPa）最大悬臂状态腹杆应力（MPa）收缩徐变结束状态上下弦杆应力（MPa）收缩徐变结束状态腹杆应力（MPa）施

工

阶

段

变

形

计

算根据施工过程计算结果，考虑节段桁架悬臂拼装施工模拟，考虑切向位移，跨中最大变形发生十年收缩徐变阶段，为-22.7cm。转

体

施

工

—

扩

展

说

明思考：对于转体施工，上部结构主梁处于曲线上，如何确定球铰向内的偏心距离？成

桥

状

态

验

算最大正应力在支点位置上弦杆，最大应力273MPa，小于385MPa。1.1基本组合作用上下弦杆应力（MPa）1.1基本组合作用上下平联杆应力（MPa）跨中最大挠度为

35mm，小于352mm1.1基本组合作用腹杆杆应力（MPa）移动荷载作用结构变形（mm）考

虑

双

非

线

性

二

类

稳

定

分析考虑几何非线性与材料非线性，绘制分阶段荷载位移曲线，求得二类稳定特征值系数5.2，大于2，满足规范要求。考虑50cm初始缺陷问

题

思

考

：

如

何

考

虑

高

塔的

非

线性

稳

定？

对于大跨高塔悬索桥需要考虑整体稳定分析，从规范角度控制，一类稳定系数要大于4，二类稳定系数要大于2；

可以采用全桥模型计算，也可采用局部主塔模型计算，一般局部主塔模型计算结果大于全桥模型结果，因为全桥模型中主塔顶部有索鞍约束；

全桥稳定计算中，索单元要转化为桁架；问

题

思

考

：

如

何

考

虑

大

跨拱

桥

的

非

线

性稳

定

？桁

架

梁

的

疲

劳

验

算根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG

D64—2015）第5.5节抗疲劳设计，本次选用疲劳荷载计算模型Ⅰ（对应于无限寿命设计方法），对结构进行疲劳