無錫西互通鋼箱梁橋結構計算書(ANSYS)

無錫西互通鋼箱梁橋結構計算

第一部分 全橋結構整體計算

一 計算軟件與模型

1、計算簡圖及箱梁截面（圖1、2）

圖 1 全橋結構計算簡圖（單位：cm）

圖 2 箱梁截面（單位：cm）

2、計算軟件與單元：

采用大型通用空間有限元程序進行計算。鋼箱梁塊件采用殼體單元模擬。

3、計算模型：

約束條件：A、B、D 點處簡支（僅約束豎向線位移），C 點約束三向線位移。考慮橫坡（2%）影響，按實際尺寸取右半橋橫橋向矮半箱梁建立空間實體模型。

空間模型見圖3；有限元模型見圖4。

二 材料及參數

鋼箱梁（截面圖見圖2）：

彈性模量Ec=2.06×1011Pa，剪切模量G=0.79×1011Pa，泊松比γ=0.3，密度ρ=8000㎏/m3（鋼材密度為7850 ㎏/m3，這里考慮焊縫及部分未建模裝飾板的增重取8000 ㎏/m3），線膨脹系數а=1.2×10-5。

三 作用及組合

    因全橋整體模型較大，為節省計算時間，因此依靠人為判斷來確定對結構最不利的作用組合。

    在僅考慮恒載作用下，順橋向最大應力出現在第2 跨跨中下緣，因此車道荷載布于第2跨最不利；全橋（不包括支座處）在恒載作用下，箱梁下緣出現的拉應力較上緣出現的壓應力大，因此對中跨跨中不利溫度作用為頂板升溫；使中跨下緣產生不利拉應力的不均勻沉降為B、C 處不均勻沉降。

圖 3 空間模型

                                         圖 4 有限元模型

因此，對全橋結構最不利組合如下：

①自重：重力加速度取9.81m/s2；

②二期恒載：1.68×103 N/m2；

③車道荷載：布置于第2 跨，單向四車道，按公路—Ⅰ級橫向折減計算值的1.15 倍考

慮，集中荷載P=1.109×106N，均布荷載q=1.876×103 N/m2；

④B、C 處不均勻沉降2cm；

⑤頂板升溫20℃。

四 計算結果

1、支座反力

（1）一、二期恒載作用下的支座反力（見表1）：

表 1 一、二期恒載作用下支座反力表

（2）支座最大反力（見表2）：

表 2 支座最大反力表

考慮橫橋向四車道的車輛荷載偏載后，單個支座（無拉力出現，均為壓力支座）最大設

計反力如下：

表 3 單個支座最大設計反力表

2、撓度計算

   車道荷載布于中跨時，中跨產生最大豎向位移為-0.047m；車道荷載布于兩邊跨時，中跨產生最大豎向位移為0.015m。中跨最大撓度值為0.047+0.015=0.062m<[L/800]=66/800=0.083m。

   車道荷載布于中跨時，第1 跨產生最大豎向位移為0.009m；車道荷載布于兩邊跨時，第1 跨產生最大豎向位移為-0.024m。第1 跨最大撓度值為0.009+0.024=0.033m<[L/800]=45.5/800=0.057m。

   車道荷載布于中跨時，第3 跨產生最大豎向位移為0.010m；車道荷載布于兩邊跨時，第3 跨產生最大豎向位移為-0.030m。第1 跨最大撓度值為0.010+0.030=0.040m<[L/800]=50/800=0.063m。

撓度值圖見圖5、圖6。

                              圖 5 車道荷載布于中跨撓度圖（單位：m）

                          圖 6 車道荷載布于邊跨撓度圖（單位：m）

3、應力計算結果

（1）頂板應力云圖

                               圖 7 頂板順橋向應力（單位：Pa）

                                 圖 8 頂板橫橋向應力（單位：Pa）

                              圖 9 頂板主拉應力（單位：Pa）

                                圖 10 頂板主壓應力（單位：Pa）

                              圖 11 頂板等效應力（單位：Pa）

                              圖 12 頂板最大剪應力（單位：Pa）

（2）頂板加勁U 肋應力云圖

                      圖 13 頂板加勁U 肋順橋向應力（單位：Pa）

                        圖 14 頂板加勁U 肋橫橋向應力（單位：Pa）

                        圖 15 頂板加勁U 肋主拉應力（單位：Pa）

                           圖 16 頂板加勁U 肋主壓應力（單位：Pa）

（3）頂板加勁條肋應力云圖

                           圖 19 頂板加勁條肋順橋向應力（單位：Pa）

（4）底板（支座附近處單元已去掉）應力云圖

                                  圖 25 底板順橋向應力（單位：Pa）

5、應力計算結果分析

（1）頂板

由頂板應力云圖可看出：頂板在全橋最不利作用組合作用下，最大壓應力為順橋向正應力與主壓應力，值為127MPa，出現于中跨跨中；最大拉應力為橫橋向拉應力和主拉應力，值為97.4MPa，出現于中支點對應頂板區域；最大剪應力37.3 Mpa，出現于中支點中跨側附近對應頂板區域。各應力云圖中應力變化較均勻， 應力分析結果表明頂板各應力皆小于所選鋼材Q345D的容許應力。

（2）頂板加勁肋（U 肋和條肋）

由頂板加勁肋（U 肋和條肋）應力云圖可看出：頂板加勁肋（U 肋和條肋）在全橋最不利作用組合作用下，最大壓應力為主壓應力，值為164MPa，出現于中支點對應U 肋和條肋區域；最大拉應力為主拉應力，值為132MPa，出現于中支點對應U 肋和條肋區域；最大剪應力36.5 Mpa，出現于中支點對應U 肋和條肋區域。各應力云圖中應力變化較均勻，應力分析結果表明頂板加勁肋（U 肋和條肋）各應力皆小于所選鋼材Q345D 的容許應力。

（3）底板（中支點兩側20cm 區域、邊支點處35cm 區域單元去掉）

由底板應力云圖可看出：底板在全橋最不利作用組合作用下，最大壓應力為主壓應力，值為179MPa，出現于中支點附近底板區域；最大拉應力順橋向正應力與主拉應力，值為121MPa，出現于中支點附近底板區域；最大剪應力48.2 Mpa，出現于中支點中跨側附近底板區域。各應力云圖中應力變化較均勻，應力分析結果表明底板各應力皆小于所選鋼材Q345D的容許應力。

（4）底板加勁肋（中支點兩側20cm 區域、邊支點處35cm 區域單元去掉）

由底板加勁肋應力云圖可看出：底板加勁肋在全橋最不利作用組合作用下，最大壓應力為主壓應力，值為140MPa，出現于端支點附近底板加勁肋區域；最大拉應力為主拉應力，值為163MPa，出現于中跨跨中底板加勁肋區域；最大剪應力46.4Mpa，出現于中支點中跨側附近底板加勁肋區域。各應力云圖中應力變化較均勻，應力分析結果表明底板加勁肋各應力皆小于所選鋼材Q345D 的容許應力。

（5）腹板

由腹板應力云圖可看出：腹板在全橋最不利作用組合作用下，最大壓應力為主壓應力，

值為163MPa，出現于中支點附近對應腹板區域；最大拉應力為主拉應力，值為135MPa，

出現于中支點附近對應腹板區域；最大剪應力59.6Mpa，出現于中支點附近對應腹板區域。

各應力云圖中應力變化較均勻，應力分析結果表明腹板各應力皆小于所選鋼材Q345D

的容許應力。

（6）腹板加勁肋

由腹板加勁肋應力云圖可看出：腹板加勁肋在全橋最不利作用組合作用下，最大壓應力為順橋向壓應力和主壓應力，值為82.1MPa，出現于中支點附近對應腹板加勁肋區域；最大拉應力為順橋向拉應力和主拉應力，值為84.2MPa，出現于中支點附近對應腹板加勁肋區域；最大剪應力3.82Mpa，出現于中支點附近對應腹板加勁肋區域。各應力云圖中應力變化較均勻，應力分析結果表明腹板加勁肋各應力皆小于所選鋼材Q345D 的容許應力。

（7）橫隔板（端、中支點處橫隔板已去掉）

由橫隔板應力云圖可看出：橫隔板在全橋最不利作用組合作用下，最大壓應力為主壓應力，值為57.2MPa，出現于中跨跨中附近橫隔板；最大拉應力為主拉應力，值為92.4MPa，出現于中跨跨中附近橫隔板；最大剪應力39.7Mpa，出現于中跨跨中附近橫隔板。各應力云圖中應力變化較均勻，應力分析結果表明橫隔板各應力皆小于所選鋼材Q345D的容許應力。

綜上，表明在全橋最不利作用組合作用下，結構具有較好的受力性能及較高的安全性。

第二部分 支座附近局部應力計算

一 模型及參數

    由于支座附近有應力集中現象，因此取左半橋斜支座附近箱梁來進行局部分析。

    材料及參數均與整體計算相同。支座處梁底加強鋼板及豎向加強鋼板均建入局部模型中。支座范圍內節點僅約束豎向線位移，局部分析模型兩端約束條件取整體分析模型中相應梁段處內力反向加于模型之上。

    空間模型見圖55；有限元模型見圖56。

圖 55 空間模型

四 局部應力計算結果分析

由表6 可知：

（1）頂板最大拉應力值為41.1MPa，發生在四列車輛荷載偏載作用時；最大壓應力值為47.8MPa，發生在四列車輛荷載偏載作用時；最大剪應力為16.1Mpa，發生在四列車輛荷載偏載作用時；各項應力均不超過所選鋼材Q345D 的容許應力。

（2）頂板加勁U 肋最大拉應力值為93.4MPa，發生在四列車輛荷載偏載作用時；最大壓應力值為83.3MPa，發生在四列車輛荷載偏載作用時；最大剪應力為21.2Mpa，發生在兩列車輛荷載偏載作用時；各項應力均不超過所選鋼材Q345D 的容許應力。

（3）頂板加勁條肋最大拉應力值為58.7MPa，發生在四列車輛荷載偏載作用時；最大壓應力值為2.04MPa，發生在四列車輛荷載偏載作用時；最大剪應力為1.15Mpa，發生在三列車輛荷載偏載作用時；各項應力均不超過所選鋼材Q345D 的容許應力。

（4）底板最大拉應力值為135MPa，發生在兩列車輛荷載偏載作用時；最大壓應力值為194MPa，發生在兩列車輛荷載偏載作用時；最大剪應力為32.5Mpa，發生在兩列車輛荷載偏載作用時；各項應力均不超過所選鋼材Q345D 的容許應力。

（5）底板U 肋最大拉應力值為34.6MPa，發生在兩列車輛荷載偏載作用時；最大壓應力值為58.0MPa，發生在兩列車輛荷載偏載作用時；最大剪應力為12.7Mpa，發生在兩列車輛荷載偏載作用時；各項應力均不超過所選鋼材Q345D 的容許應力。

（6）腹板最大拉應力值為74.9MPa，發生在四列車輛荷載偏載作用時；最大壓應力值為95.8MPa，發生在四列車輛荷載偏載作用時；最大剪應力為21.7Mpa，發生在四列車輛荷載偏載作用時；各項應力均不超過所選鋼材Q345D 的容許應力。

（7）腹板加勁肋最大拉應力值為47.5MPa，發生在四列車輛荷載偏載作用時；最大壓應力值為33.6MPa，發生在四列車輛荷載偏載作用時；最大剪應力為1.50Mpa，發生在四列車輛荷載偏載作用時；各項應力均不超過所選鋼材Q345D 的容許應力。

（8）橫隔板最大拉應力值為121MPa，發生在兩列車輛荷載偏載作用時；最大壓應力值為152MPa，發生在四列車輛荷載偏載作用時；最大剪應力為49.3Mpa，發生在兩列車輛荷載偏載作用時；各項應力均不超過所選鋼材Q345D 的容許應力。

（9）支座頂豎向加勁肋最大拉應力值為151MPa，發生在兩列車輛荷載偏載作用時；最大壓應力值為114MPa，發生在兩列車輛荷載偏載作用時；最大剪應力為71.7Mpa，發生在兩列車輛荷載偏載作用時；各項應力均不超過所選鋼材Q345D 的容許應力。

綜上，局部應力分析結果表明結構具有較好的受力性能及較高的安全性。

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