悬挑式框架桥的有限元分析

刘亚琼

悬挑式框架桥的有限元分析

刘亚琼

结合 16m框架桥的工程实例,通过 Midas有限元软件建模分析,介绍了框架桥实际工程的模型建立、边界条件、荷载计算及组合方法,对框架桥的结构设计有一定指导意义。

框架桥,Midas,有限元,移动荷载

本桥结构形式为 16m框架桥;既有线与新建道路中心线交角为 90°,框架桥按正交进行设计。框架桥顶板顶面距铁路钢轨底面为 60mm,结构总高度 8.6m,结构净高 7.5m,顶板厚 1m,底板厚 1.1m,边墙厚为 1m,顶板加腋均采用 0.5m×1.5m,底板加腋均采用 0.2m×0.2m,框架桥主体全长为 13m,顶板两边分别悬挑 1m,1.5m。全桥采用C35混凝土。

1 主要设计荷载

1)结构自重：混凝土的容重取 26 kN/m3。2)桥面二期恒载：

桥面二期恒载集度为G1=21.42 kN/m2。

悬挑部分考虑电缆槽、栏杆扶手重,荷载集度为G2=9 kN/m。3)水平土压力：

主动土压力系数按以下公式计算：

4)列车活载：铁路列车竖向静活载“中—活载”。在 Midas模型中设车道,使用移动荷载进行计算。

5)人群活载：在 Midas模型中设人行道,使用移动荷载加载。

6)汽车活载：在 Midas模型中设车道,使用移动荷载加载。

7)降温 15℃：将结构的顶板、边墙整体降温 15℃来近似模拟混凝土收缩徐变效应。

8)制动力：根据规范进行计算。

9)冲击力：根据规范进行计算：

2 计算模型(三维模型)

考虑到框架桥两侧悬挑,为了分析的全面性,按照设计尺寸对框架桥建立空间分析模型,沿横向、纵向取 0.5m,1m划分单元,节点共计 1 481个,单元共计 1 208个。基础对底板的约束采用土弹簧进行模拟。

3 边界约束

基础对底板的约束用土弹簧来模拟,竖向地基系数 C0=m0l,m0为竖向地基系数随深度增加的比例系数;l为入土深度,根据C0来确定弹簧刚度系数。

4 荷载工况与组合

1)静力荷载工况见表 1。

表1 静力荷载工况

2)移动荷载工况见表 2。

表2 移动荷载工况

3)荷载组合见表 3。

表3 荷载组合

5 计算结果

按照上述对结构进行计算分析,考虑移动荷载作用下框架桥各控制截面的内力如下。

5.1 顶板控制截面

1)顶板上缘(边墙处)。顶板上缘控制截面位于顶板与边墙交接处。恒载 Mmin=-920 kNm,Fmin=-144.6 kN;活载 Mmax=28.2 kN m,Fmax=25.7 kN;Mmin=-553 kN m,Fmin=-110 kN。

2)顶板下缘(跨中)。顶板下缘控制截面位于框架跨中顶板处。恒载 Mmax=923.65 kNm,Fmax=-68.9 kN;活载 Mmax=504 kN m,Fmax=4.7 kN;Mmin=-0.6 kN m,Fmin=-56.4 kN。

5.2 底板控制截面

1)底板下缘(边墙处)。底板下缘控制截面位于底板与边墙交接处。恒载 Mmin=-581.9 kNm,Fmin=-161 kN;活载Mmax=

74.6 kN m,Fmax=52.8 kN;Mmin=-189.9 kN m,Fmin=-24 kN。2)底板上缘(跨中)。底板上缘控制截面位于底板框架跨中。恒载 Mmax=434.5 kNm,Fmax=-271.3 kN;活载 Mmax=232.7 kN m,

Fmax=65 kN;Mmin=-24.6 kN m,Fmin=-9 kN。

5.3 边墙控制截面

1)边墙外侧(顶板处)。边墙外侧控制截面一位于底板与边墙交接处。恒载 Mmin=-971.6 kNm,Fmin=-742.8 kN;活载Mmax=28.6 kN m,Fmax=225.6 kN;Mmin=-537.9 kN m,Fmin=-468.3 kN。

2)边墙内侧(边墙中部)。边墙内侧控制截面位于边墙中部。恒载 Mmin=-674 kNm,Fmin=-1 611.7 kN;活载 Mmax=7.6 kNm,Fmax=123.9 kN;Mmin=-326.6 kN m,Fmin=-364.8 kN。

3)边墙外侧(底板处)。边墙外侧控制截面二位于边墙与底板交接处。恒载 Mmin=-575.6 kNm,Fmin=-1 044 kN;活载Mmax=80.6 kNm,Fmax=263.5 kN;Mmin=-242.2 kN m,Fmin=-506.7 kN。

5.4 悬挑板

悬挑顶板上缘控制截面位于与主体框架顶板交接处。恒载Mmin=-40.6 kNm,Fmin=-17.3 kN;活载 Mmax=6.9 kN m,Fmax=2.3 kN;Mmin=-15.4 kN m,Fmin=-3.6 kN。

6 结语

本文对 16m悬挑式框架桥建立 Midas空间模型进行有限元分析,介绍了框架桥主要设计荷载的计算及边界条件的输入,并且进行荷载组合分析后得出最不利工况下的内力值、地基反力值,可以应用于截面检算和地基承载力检算,在实际工程设计中可以很好的应用。本文详细的荷载计算方法及荷载组合方法对框架桥结构设计和Midas建模的学习有一定的指导作用。

[1]TB 10002.1-2005,铁路桥涵设计基本规范[S].

[2]TB 10002.3-2005,铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].

[3]TB 10002.5-2005,铁路桥涵地基和基础设计规范[S].

On finite element analysis of cradle frame bridge

LIU Ya-qiong

Combining with theengineering example of 16m frame bridge,the paper undertakes themodelanalysis by usingMidas finite element software,and introduces themodel establishment,the boundary conditions,the loading calculation and the combination methods for the factual projects of the frame bridges,so as to have the direction significance for the structural design of the frame bridges.

frame bridge,Midas,finite element,mobile loading

U 448.2

A

1009-6825(2011)03-0163-02

2010-10-08

刘亚琼(1982-),女,硕士,中铁第五勘察设计院集团有限公司郑州分院,河南 郑州 450000