《基于Midas FEA的钢箱梁顶推施工中局部应力和局部稳定分析》3000字（论文）

基于MidasFEA的钢箱梁顶推施工中局部应力和局部稳定分析目录TOC\o"1-2"\h\u79520引言 1100111工程概况 2222022局部分析模型确定 2295142.1局部分析建模 2213153局部分析结果 3108953.1局部静力分析 3139403.1局部稳定分析 4141024参数分析 4315354.1底板板肋布置对局部应力的影响 410454.2腹板厚度对局部应力的影响 5133784.3腹板角度对屈曲的影响 691625结论 7294301）在最不利工况下，钢箱梁局部稳定与应力结果满足规范要求。 74696参考文献： 80引言顶推法施工从施工条件、技术要求等方面均与吊装法、悬臂法、转体法、支架法等其他施工方法有很大差异，其具有施工费用较低、施工设备少、不影响桥位处交通运行等优点，对其施工过程的研究也不同于其他施工方法。当桥位施工场地受限，或者在运营的既有线上方施工时，为确保运营线路的安全，顶推法施工是较理想的方法[1]。钢箱梁在顶推施工过程中局部受力特性比较复杂，钢箱梁采用顶推法施工时不仅需要满足成桥阶段受力还需要满足施工阶段受力的要求[2]。本文以某钢混组合梁桥方案论证阶段中顶推施工方案研究为依托，探讨一些关键结构参数对施工过程中局部受力的影响。1工程概况本文以某钢混组合箱梁桥方案设计阶段为研究对象，桥梁主跨128m，该桥钢梁部分采用单箱单室封闭箱型截面，核心箱梁底宽11m，梁高6m，按双向6车道设计，主梁断面如图1所示。图1主梁典型断面图（cm）本桥钢箱梁核心箱采用Q345qD，其跨中标准横断面的顶板、腹板及底板均采用24mm；支点附近断面顶板厚48mm、底板厚56mm、腹板厚度为52mm；为了整体受力要求，核心箱顶板及底板均采用板式加劲肋，其钢板厚度在16~40mm之间，腹板纵向加劲肋采用T型，其钢板厚度在20~40mm之间；核心箱横隔板采用桁架式横隔板，其纵向间距沿桥梁方向4m；为满足顶推过程中腹板稳定性，在腹板上设置横向顶推加劲肋，其纵向间距采用1m。2局部分析模型确定采用顶推施工的桥梁受力形式较其他施工方法复杂，随着桥梁位置时刻发生变化，每个断面都需经过一次顶推作用，其结构受力也在变化，因此梁体局部受力较复杂。本文首先通过整体分析模型中计算出主梁在顶推过程出现的最大支反力，然后将最大支座反力作为外荷载作用钢箱局部分析模型上进行应力和稳定分析；利用应力结果和特征值屈曲结果，对局部受力提出了改善错施。2.1局部分析建模采用MidasFEA有限元软件中的板壳单元来模拟钢箱梁，根据圣维南原理，选取5个横梁间距节段建立钢箱梁节段模型，模型节段长度长共20m，节段模型见图2。顶推过程中钢箱梁主要承受由梁底的滑道梁处向上的支反力；由于钢箱梁和滑道梁接触是面接触，通过将梁段所受的滑道梁集中支反力折算成竖向面荷载来模拟外荷载。滑道梁与钢箱梁底的接触尺寸：长1.8m、宽0.9m。两端相邻梁段的约束边界条件近似按完全固结处理。图2局部有限元模型钢箱梁分析模型网格尺寸按0.1m划分，其共划分了48679个板壳单元；钢箱梁的弹性模量为2.1×108kN/m2，重度为76.98kN/m3，泊松比为0.3。3局部分析结果3.1局部静力分析在最不利工况下，钢箱梁等效应力云图如图3所示。图3钢箱梁主要构件等效应力（单位：MPa）由上述应力计算结果可知，顶推过程中钢箱梁的主要局部受力构件为：底板、内腹板、底板纵向加劲肋、底板横向加劲肋，其中底板横向加劲肋最不利。表2列出了各主要受力构件的最大等效应力值，在底板横向加劲肋出现最大等效应力251MPa，应力计算结果满足要求[3][4]。表2主要受力构件最大等效应力值（MPa）位置底板腹板底板纵向加劲肋底板横向加劲肋最大等效应力2411432422513.1局部稳定分析钢箱梁由高强度的薄壁钢板组成，其在顶推过程中局部稳定性同样重要，现通过数值分析来研究其稳定性问题。经分析，在顶推过程中，钢箱梁与滑道接触区域容易发生局部屈曲；当梁体两个横隔板之间部位顶推到滑道梁时，对于局部稳定来说是最不利。其中与滑道梁接触的底板纵向加劲肋最容易屈曲，第一阶弹性屈曲系数为2.28，局部稳定满足规范要求。底板纵向加劲肋的一阶屈曲变形如图4所示：图4钢箱梁主要构件屈曲变形（单位:mm）由分析可知纵向加劲肋比较容易发生失稳，可通过增加与滑道梁接触的底板纵向加劲肋刚度的方式来改善其局部稳定性能。4参数分析4.1底板板肋布置对局部应力的影响由上述静力分析结果可知，在顶推过程中，钢箱梁底板局部应力较大。考虑到底板加劲肋对底板受力影响很大，因此需要研究底板加劲肋相关参数对局部应力的影响。现考虑3种参数对结构局部受力的影响：通过改变底板加劲肋数目、增加滑道梁接触的底板加劲肋刚度、满足钢箱梁整体受力原截面。钢箱梁采用分析的3种截面形式见图5所示。图5钢箱梁截面形式本文分别以A、B、C、D、E代表箱梁底板、底板横向加劲肋腹板、底板横向加劲肋顶板、底板纵向加劲肋、箱梁腹板、腹板横向加劲肋5个位置上最大等效应力点。上述3种不同底板加劲肋形式的钢箱梁各主要位置上最大等效应力如图6所示。图6不同截面构件等效应力（MPa）由上图可知，采用增加滑道梁接触的底板加劲肋刚度措施仅对加固的这根加劲肋有显著效果，但其他位置上的应力并未明显降低；通过改变底板加劲肋数目可以有效降低其他位置上的应力值。因此合理的布置底板加劲肋数目及位置对局部受力很重要。4.2腹板厚度对局部应力的影响腹板作为钢箱梁的主要受力构件，且其受力较复杂，在顶推过程中，腹板承受较大的弯曲应力和剪应力，腹板的厚度对全桥的用钢量又有较大的影响，因此探讨腹板厚度对应力的影响很有必要。现在模型分别考虑20mm、30mm、40mm、50mm四种不同腹板厚度，不同腹板厚度下各主要构件最大等效应力见图7：图7不同截面构件等效应力（MPa）由图9可知，随着腹板厚度的增大，底板纵向加劲肋和腹板的最大等效应力值有相应减小，但是底板和横向加劲肋的最大等效应力变化不大。因此增大腹板钢箱梁厚度对局部受力作用有限。4.3腹板角度对屈曲的影响在截面选形时，为了增加抗扭性能以及减少底板宽度，从而减少结构自重，会选择斜腹板钢箱梁，因此探讨腹板角度对屈曲的影响很有必要。为了只研究腹板在顶推受力情况，将上述局部分析模型中滑道对钢箱梁底板的作用力按线荷载考虑，线荷载直接作用腹板底部。考虑两种不同腹板角度在顶推过程对屈曲的影响，不同截面形式见图8：图8不同腹板角度钢梁截面经分析，直腹板截面第一阶弹性屈曲发生在靠近底板侧腹板区域，其屈曲系数为2.6，屈曲变形图如图9所示。斜腹板截面发生第一阶弹性屈曲的位置在底板与顶推滑道接触处，其屈曲系数为1.8，屈曲变形图如图9所示。图9不同腹板角度钢梁截面变形云图由计算分析表明，不考虑其他参数的影响，在滑道梁处竖向力作用下，斜腹板截面相比直腹板截面抗屈曲能力较弱。直腹板截面第一阶弹性屈曲发生位置在腹板，但斜腹板截面第一阶弹性屈曲发生位置在与滑道梁接触的底板处。5结论1）在最不利工况下，钢箱梁局部稳定与应力结果满足规范要求。2）在顶推过程中，钢箱梁参与局部受力的主要构件为腹板及腹板横向加劲肋、底板及底板纵横向加劲肋。经过分析得知，底板及底板纵横向加劲肋等效应力最大，腹板次之。因此，在截面构造设计时，可以将增加底板与顶推设置接触区域的纵向加劲肋数目作为主要考虑因素。3）钢箱梁的腹板作为关键受力构件。通过局部应力分析可知，改变腹板厚度对改善顶推局部应力影响较小；同时斜腹板相比直腹板其抵抗局部屈曲能力较弱，但相差不大。因此钢箱梁腹板不作为顶推过程主要考虑因素，这为结构