钢桁架混凝土组合梁桥的力学数值模拟

王丽君

（南京航空航天大学金城学院，江苏 南京 211156）

0 引言

桁架是工程结构中受力最合理的形式之一，桁架梁桥一般多见于高速公路与铁路。早期出现的桁架为木结构，由于不防腐、易受潮，修缮较为复杂，逐渐被淘汰，因而多改为钢桁架。传统的纯钢桁架方案，桥面板只作为一种外加荷载对主体结构产生影响，这种设计忽略了桥面板作为结构的受力构件和钢桁架结合在一起共同受力，结构用钢量较大，整体刚度和空间稳定性也不够理想，并且桥面需要采用相对昂贵的环氧沥青铺装，造价偏高。为了使传统钢桁架桥在结构体系上更趋合理，经济性能更具竞争力，可以通过剪力连接将混凝土桥面板和钢桁架上弦杆组合在一起共同受力，形成钢-混凝土组合桁梁桥[1]。

有限元软件模拟是钢桁架-混凝土组合结构空间分析的常用方法，较著名的有ANSYS、ABAQUS等。ABAQUS是一套功能强大的基于有限元法的工程模拟软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到最富挑战性的非线性模拟问题[2]。本文采用有限元软件ABAQUS6.10分别建立钢桁架混凝土组合梁桥和纯钢桁架梁桥模型，为进行组合桥梁力学性能分析建模提供参考。

1 计算模拟方法及模型的建立

中铁大桥局桥梁科学研究院的谭莹和田启贤[3]以芜湖长江大桥为基础，节选其中一段建立模型进行分析研究。在该分析中，将桁架杆件划分为梁单元，将桥面板离散为板壳单元和块体元。西南交通大学的何畏和强士中[4]选取芜湖长江大桥的三跨连续钢桁架-混凝土组合梁进行模拟分析，在该分析中，用空间梁单元来模拟钢桁架的各个构件和公路桥面的纵、横梁体系等。

本文研究对象为天津滨海新区西外环海河特大桥主桥（95+140+95）m,为上承式钢桁架-混凝土组合梁桥。上桁架、下桁架为箱型截面，上桁架为等高度箱型截面，下桁架为变高度箱型截面，截面普通段采用20mm的钢板，下弦杆在中墩局部区域采用30mm的钢板。

模型实验共分两种情况：第一，纯钢桁架结构，在结构自重+活载（汽车荷载）下位移和应力结果分析；第二，钢桁架混凝土组合结构，在结构自重+活载（汽车荷载）下位移和应力结果分析。对结构自重（包括结构附加重力），可按结构构件的设计尺寸与材料的重力密度计算确定。桥梁结构的整体计算采用车道荷载，车道荷载由均布荷载和集中荷载组成。

模型选取桥梁一半结构作为研究对象，结构简化为二次超静定两跨连续梁，为有多于约束的几何不变体系。如果荷载移动到某个位置，使某量Z达到最大值，则此荷载位置称为最不利位置。影响线的一个重要作用，就是用来确定荷载的最不利位置。

车道荷载的均布荷载标准值应满布于使结构产生最不利效应的同号影响线上；集中荷载标准值只作用于相应影响线中一个最大影响线峰值处。

组合桁架为有竖杆三角桁架形式，半结构桁架共分14 个节点，节点间距及腹杆高度见图3；两片主桁之间相距3.56m。上下弦杆均采用矩形截面，截面尺寸850mm×900mm;竖杆、横联及斜杆均采用矩形截面，截面尺寸400mm×800mm。钢箱壁厚分30mm、20mm两种，斜杆和竖杆上端通过节点板与上弦杆螺栓连接，下端通过节点板与下弦杆螺栓连接。

模型中分别采用B32梁单元和S8R5壳单元。一般地，当结构的长度方向尺寸远大于其他两个方向的尺寸，且只有长度方向的应力比较显著的情况下，用梁单元来模拟，在ABAQUS中，B32表示二次插值三维梁单元，三维梁单元每个节点有6个自由度，即3个平动自由度和3个转动自由度。所有梁单元必须定义横截面形状，还有横截面方向，由于梁单元的抗弯和抗剪性能主要取决于其横截面特性（惯性轴、惯性矩、惯性积、面积矩等），因此只有定义了梁截面方位，ABAQUS才能够确定各种横截面特性。梁横截面方位通过3个局部坐标轴定义，分别是t轴、n1轴、n2轴，n1方向与t方向大致是垂直的。

S8R5属于小应变三维薄壳单元，每一个节点只有5个自由度，即3个平动自由度和面内2个转动自由度。所有的壳单元也必须定义横截面特性，包括壳单元的材料性质和厚度，有时还需要定义局部材料方向。

模型初期，根据ABAQUS有限元软件分析问题的步骤，计算相关参数，确定模型参数，随后建立模型，输入模型材料特性，如弹性模量、泊松比、剪切模量、密度等。

2 模型尺寸、材料、边界条件

个部件，混凝土面板作为一个部件，生成一个三维变形的平面线框部件，根据单元尺寸绘制出单个桁架，由于两个桁架的对称性，将这个桁架投影到基准面上生成另一个桁架，从而得到整体桁架，再将桁架与混凝土面板进行拼装生成一个完整的装配件。

除了初始分析步之外，另建了两个分析步，分别用来进行汽车载荷和重力载荷的加载。边界条件情况：固定端两个支座节点及桁架底部58个节点分别约束X、Y、Z和X、Y方向平动自由度，自由端两个支座节点分别约束Y、Z和Y方向平动自由度。网格划分情况：钢桁架采用三维、细长的二次两单元（B32）模拟，对所有区域指定整体剖分数（seed)为5.0；混凝土面板采用8节点四边形薄壳，二次缩减积分，每个节点有5个自由度（S8R5），对所有区域指定整体剖分数（seed)为8.0。

纯钢桁架梁桥的模型与钢桁架混凝土组合梁桥的模型建立基本一致，只是在原有基础上将混凝土面板换成钢板，因此须重新定义面板的材料属性。

3 结论

本模型包含124个节点（焊接点），365个梁单元，1个板壳单元，将两个桁架结构作为一个部件，内部支撑作为一

本文在基本模型的基础上，不断尝试改变各个参数、接触类型以及约束方式，最终建立钢桁架混凝土组合梁桥模型和纯钢桁架模型。通过后处理得到了两者的Mises应力及空间位移云图和X-Y曲线图，为后期进行力学性能分析提供数据基础。