【《工字钢组合梁整体桥有限元建模分析方法概述》1800字】

工字钢组合梁整体桥有限元建模分析方法概述目录TOC\o"1-3"\h\u13590工字钢组合梁整体桥有限元建模分析方法概述 146081.1结构-土相互作用 1298071.2有限元模型建立 21.1结构-土相互作用桥梁结构由于温度的升降会产生沿纵桥向的伸缩，传统有缝桥桥台设置支座，通过伸缩缝吸收桥梁纵向变形，计算分析时可以上、下部结构分开计算。由于采用整体式桥台取消了伸缩缝，整体桥将随着温度变化产生纵桥向往复位移，计算分析时与台后土、桩侧土发生相互作用对桥梁受力产生很大影响。对于结构-土相互作用，现有计算方法大体分三类：（1）极限地基反力法；（2）弹性地基反力法（我国对应为“m法”）；（3）非线性地基反力法（如p~y曲线法）。根据《公路无伸缩缝桥梁技术规程》（T/CECSG：D60-01-2020）[61]（下文简称《无缝桥规》）规定：当桩顶总变形量较大时，p~y曲线法计算结果较好；桩顶总变形量不大，“m法”仍有一定的适用性。考虑到本课题主要采用混凝土桩基而不采用钢桩，更适合于我国目前工程建设实际情况，混凝土桩基的桩顶变形量不会太大，且标准化设计的桥梁总长将受到限制。因此，本文仍采用“m法”以考虑桩-土相互作用。《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG3363-2019）[62]（下文简称《地规》）中的“m法”，根据假定，与地基性质，桩身性质，埋置程度等因素成正相关，即：Cz=mz（2-1）式中：Cz——深度z处的地基系数；m——地基土比例系数；z——地基土深度。地基土侧向弹簧刚度K侧z为：K侧z==Czazbz=mzazbz（2-2）式中：K侧z——土体的弹簧刚度；σxz——深度z处桩侧横向弹性土抗力；Xz——深度z处桩侧向水平位移；az——桩身计算宽度；bz——土层的厚度。1.2有限元模型建立选取某3×12m工字钢组合梁整体桥为建模对象，桥梁总长为38.2m，桥宽为11.14m，整体布置如图2-10所示。上部结构采用8片钢梁，材质为Q355NH耐候钢，下部结构采用整体式桥台，基础采用桩径1m的圆形截面钻孔灌注摩擦桩，墩梁半刚接整体式桥墩，全桥不设置支座和伸缩缝。桥面板采用C40混凝土，搭板、桥台和基础采用C30混凝土。采用MIDAS/Civil2019建立三维杆系有限元计算模型，如图2-11（a）所示，全桥共1144个节点，1566个单元。采用梁格法建立桥梁上部结构，主梁和桩基础采用梁单元模拟，整体桥台采用板单元模拟。由于本文桥梁跨径和桥台尺寸均较小，且采用混凝土桩基，允许纵向变形量较小，故选用“m法”对桥台弹簧刚度和桩基弹簧刚度进行计算。桥台节点布置纵桥向节点弹性支撑，桩身布置了纵桥向和竖向节点弹性支承从而模拟结构-土相互作用，桥台和部分桩基节点弹簧布置如图2-11（b）所示。(a)立面布置图(b)标准横断面图图2-10背景工程桥梁整体布置图（单位：cm）(a)有限元计算模型(b)边界条件设置图2-11全桥杆系有限元计算模型土弹簧的设置参考1.1节介绍的计算方法，分为台后土弹簧和桩侧土弹簧两种，均采用《地规》附录L的“m法”进行计算，并在不同土层依据土质选择m值，使计算结果更加准确，各土层取值依据按土层状态及液限指数IL得到。各桩基实际所处位置的地层成因、状态和液限IL取值根据地质报告得到。各土层m值取值见表2-5。表2-5各土层m值取值表地层名称及成因液性指数ILm值（kN/m4）素填土--2000淤泥质粉质黏土1.533000粘土0.1314800粉质粘土夹粉土0.517400粘土0.309500粉质粘土0.943480粘土0.626300粉质粘土夹粉土0.507500粘土0.576800单侧桥台处土弹簧刚度计算如表2-6所示，台后土类型按中砂考虑取m值为10000kN/m4，桥台处节点区域弹簧刚度K计算取值范围在171.5kN/m~18890.5kN/m之间。列出桥台处桩基的土弹簧K值见表2-7，K值的总体趋势为沿着地基深度的增加而增大，取值范围在7979kN/m~1079244kN/m。表2-6桥台处各土层m值取值表m值(kN/m4)地基土深度z(m)深度z处土层的厚度az(m)深度z处节点计算宽度bz(m)K(kN/m)100000.2520.2520.27171.5100000.5040.5041.062692.6100001.0080.6021.589587.7100001.7080.7000.566725.3100001.4080.3500.564740.8100000.2520.2521.06673.1100000.5040.5041.062692.6100001.0080.6021.066431.2100001.7080.7001.0612673.4100001.4080.3501.068933.7100000.2520.2521.581003.4100000.5040.5041.584013.5100001.0080.6021.589587.7100001.7080.7001.5818890.5100001.4080.3501.5813316.2表2-7桥台桩基刚度K值计算表m(kN/m4)地基土深度z(m)深度z处土层的厚度az(m)深度z处基桩计算宽度bz(m)K(kN/m)2000-1.2081.001.879492000-3.2080.581.866982000-3.7881.171.8159554520-4.9581.001.8403384520-5.9581.001.8484744520-6.9580.791.8447224520-7.7481.001.8630384520-8.7481.001.8711744520-9.7481.001.8793104520-10.7481.001.8874464520-11.7481.001.8955824520-12.7481.001.81037184520-13.7480.201.8223714520-14.6480.701.8834234520-15.3481.001.81248714520-16.3481.001.81330074520-17.3481.001.81411434520-18.3481.001.81492794520-19.3481.001.81574154520-20.3481.001.81655514520-21.3481.001.81736874520-21.3481.001.81818234520-23.3481.001.81899594520-24.3481.001.81980954520-25.3481.001.82062314520-26.3481.001.82143674520-27.3481.001.82225034520-28.3481.001.82306394520-29.3481.001.82387754520-30.3480.841.82074064520-31.1881.001.82537469500-31.1880.401.822016610400-33.5881.001.862876710400-34.5881.001.864748710400-35.5881.001.866620710400-36.5881.001.868492710400-37.5881.001.870364710400-38.5881.001.872236710400-39.5881.201.888930510400-40.7881.001.87635518900-41.7881.101.87363888900-42.8881.001.86870667700-43.8881.001.86082887700-44.8881.001.86221487700-45.8881.001.86360087700-46.8881.001.86498687700-47.8881.001.86637287700-48.8881.001.86775887700-49.8881.001.86914487700-50.8880.501.83526547700-51.3881.001.87122389400-51.3881.001.88864059400-53.3880.801.8