装配式公路钢桥承载力的有限元分析

４８　由料道析５舫浃　２００６年１月第１期　装配式公路钢桥承载力的有限元分析　时党勇　，张　志　，周　鹏。　（１＿工程兵指挥学院，江苏徐州　２２１００４；２．总装工程兵科研二所，北京　１０００９３）　摘要：分析装配式公路钢桥设汁中所采用的简化计算方法的不足，使用大型有限元软件ＡＮＳＹＳ刘’其受力情况和　承载力进行了分析，并与简化计算方法进ｔｔ￣，－Ｊ比，得出了一些规律性的结论，对实际应用具有一定的指导意义。　关键词：有限元；偏心受压法；装配式公路钢桥；ＡＮＳＹＳ；承载力　中图分类号：Ｅ９５１．３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９　７７ｌ　６（２００６）ｏｌ　００４８　０４　０　前言　系、桥梁基础等部分组成，并配有专用的架设工具。　主梁由每节３　ｍ长的桁架用销子连接而成，位于车　在军用桥梁的设计计算中，目前所采用的是简　行道的两侧，主梁问用横梁相连，每格桁架设置两根　化计算方法，它把桥的各个部分简化成孤立的简支　横梁；横梁上设置４组纵梁，中间两组为无扣纵梁，　梁模型。在计算活载通过横向分配结构分析到各个　外侧两组为有扣纵粱；纵梁上铺设木质桥板，桥板两　承受结构的荷载时，由于横向分配结构具有一定刚　侧用缘材固定．桥梁两端设有端柱。主梁通过端柱　度，同时连续，而且承受结构也具有一定刚度，所以　支承于桥座和座板上，桥梁与进出路间用桥头搭板　横向分配系数应是与横向分配结构刚度及承受结构　连接，中间为无扣搭板，两侧为有扣搭板，搭板上铺　刚度有关的弹性分配的结果。另外，因为承受结构　设桥板、固定缘材。全桥设有许多连接系构件如斜　每个截面的挠度均不同（两端小，中央大），因此它不　撑、抗风拉杆、支撑架、联板等，使桥梁形成稳定的空　仅是一个平面的弹性分配结果，而且是・个立体的　间结构。　弹性分配结果，它的汁算非常复杂。因此，到目前为　为适应不同荷载和跨径的变化，桁架组合可取　止，横向分配系数只是采用一些近似的计算方法，最　ｌｏ种相应的变化，即单排单层、双排双层、二排单　常用的是偏心受压法。其原理是：假定横向分配结　层、双排双层、三排双层和在上述五种组合的上、下　构具有很大的刚度，大到＿口』以把横向结构看成是刚　弦杆上增没加强弦杆的五种形式。　体，即不会产生变形的结构，这样在偏心荷载作用　下，横向结构只产生一种不弯曲的沉降和转动，因此　２有限元模型的建立　主粱所分配的荷载成直线的规律分配，这样边主梁　住建　装配式公路钢桥的有限元模型时，可以　或边主桁受力最大、最不利，这显然不符合实际情　忽略缘材和各种连接销等细小的构件，只对桁架、横　况。　梁、纵粱、桥板、支撑架、斜撑、联板和抗风拉杆进行　随着科学技术的飞速发展，有限元法已经成为　建模，通过耦合的方法来代替销子对它们进行连接。　解决各类工程技术问题的重要于段，运用它已经能　这样一来，若各个构件仍采用实际的尺寸，那么算得　很好地求解复杂结构，计算结果与实际情况吻合得　的桥的总重将比按照文献［１］中列出的自重密度算　很好。本文采用目前应用广泛的通用大型有限元分　出的值要小，为ｒ解决这一问题，可以把被忽略的构　析软件ＡＮＳＹＳ，对装配式公路钢桥的承载力进行　件的重量折算到所建立的构件的有限元模型上，通　ｒ分析，并与简化计算方法进行对比，得出了一些规　过凋整这些构件的密度使自重桁度与义献［１］卜相　律性的结论。　符。　１　装配式公路钢桥的特点　在埘单片桁架进行建模时．不能采用理想桁架　模型片】标准的二力杆单元对其进行建模，　为把节　装配式公路钢桥由桁架式主梁、桥面系、连接　点板看作是铰节点后该结构将是几何可变体系，而　这与实际情况足不符合的。文献Ｅ２ｊ针对这一问题　收稿日期：２００５　０５　１　２　作者简介：时党勇（１　９７８一），男，河南南阳人，硕士．从事从彝装备器材　进行ｒ研究，提出了两种可行的有限元模型。第一　教学和论证研究。　种是梁杆混合模　，根据实际结构的情况，这种模型　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年１月第１期　道析与防珙　将弦杆和竖杆作为连续构件，用梁元模拟，斜腹杆用　二力杆单元模拟。这种模型弱化了斜腹杆两端焊缝　的嵌固作用。第二种是梁元模型，所有构件均用梁　元模拟，这种模型强化了腹杆两端焊缝的嵌固作用。　对比两种模型的计算结果可以发现，它们对结构整　体的模拟效果几乎相同。本文采用的是梁杆混合模　型。在对其它构件进行建模时，除联板、抗风拉杆、　支撑架和端竖杆外，主要承力构件全部采用的是梁　单元。　Ｃ　图１　单排桁架加载试验不意图　图１所示的是文献［２］中所做的跨度为１８　ｍ的　单排桁架的加载试验示意图。表ｌ所示的本文用　ＡＮＳＹＳ建立的有限元模型计算出的跨中挠度值与　文献［２］结果的对比情况。从中可以看出，本文的有　限元值与文献［２］的有限元值和用桁架的理论截面　惯性矩算得的值以及实测值均比较接近，这说明本　文建立的有限元模型是合理的，可以利用这个模型　来进行分析。　表１　本文结果与文献［２］计算结果对比　３各构件内力的有限元计算　以三排单层加强型桥通过图２所示荷载形式的　车辆为例来说明如何用有限元法来计算各构件的内　力（其中ｇ—Ｐ／９，Ｐ指平板车总重，力的单位为ｋＮ，　长度的单位为ｍ）。　…一．一　犀Ｉ恧Ｉ显Ｉ虱ｔ　国氲盖葛　Ｉ＝刍　三　厂、　ｌｆｌｔＩｔ　ｇ　ｇ　ｇ　ｇ　ｇ　ｇ　ｇ　ｇ　ｇ　ｌ５０　８０　ｑ　Ｌｊ：：：ｉ　ｉ：；ｉ　ｎ！　＝ｌ　１．　Ｘ　８　５　４　图２荷载形式示意图（单位：ｍ）　３．１　主桁架剪力的计算　在对建立的有限元模型施加荷载求解时，若把　两端的支座都设置为刚性约束，那么在最大剪力工　况时，桥端剪力分配很不均匀，内排的桁架很大，而　外面两排很小。如果是这样的话，那么在荷载不是　很大的时候它就会因剪力过大而破坏，而在实际通　车过程中这种情况没有发生过，这说明模型与实际　情况有偏差。　实际上，在设置桥座的时候，在桥座与地面之间　垫了木块等软质非线性材料使桥座将所受到的力均　匀地传递到地面上，同时桁架所受到的剪力在这些　非线性材料的自动调整下，最终达到比较均匀。如　果把最内排桁架的支座相对最外排设置一个很小的　非线性沉降，最外排桁架没有沉降，中间桁架的沉降　值取按它们的距离线性插值所得的值，这样会使各　排桁架的剪力分配趋向均匀。表２所示的是３３　ｍ　的桥在相同的荷载工况下设置沉降值前后桥端各排　桁架的剪力值对比情况。从中可以看出，在这个值　很小、桥座的倾角也很小的时候，各排桁架的剪力分　配就会趋向均匀。本文利用这个有限元模型计算　时，都根据这一假设对每种工况的支座设置一个适　当的沉降值使每个桥座所在的三排桁架剪力分配比　较均匀。　表２设置沉降值前后桥端剪力的对比　活载内排桁倾斜　吨位架沉降角度　左端各排桁架的剪力（ｋＮ）　（ｋＮ）　（Ｃｍ）　（。）　通过进一步研究可以发现，即使对相对沉降值　进行较为粗略的调整，桥端最大偏心侧三排桁架的　剪力分配还不很均匀，但它们的和基本是不变的；而　通过对相对沉降值进行细微的调整，总能使三排桁　架的剪力分配很均匀，所以在求最大剪力时，可以只　做粗略的调整，将三排桁架剪力的平均值作为最大　剪力值就可以。但是在求桥面系各构件的最大应力　时，三排桁架的剪力分配均匀与否对它们有一定的　影响，所以这个调整不能太粗略。实践证明，调整到　表２所示的均匀程度就达到要求。　３．２主桁架弯矩的计算　在利用建立的有限元模型计算跨中最大弯矩　时，ＡＮＳＹＳ不能直接输出这个值，但可以通过求跨　中截面上下弦杆的轴力对桁架中心的力矩以及其本　身对跨中截面的弯矩的和的方法来求得，这样求出　的各排桁架的弯矩总和与利用影响线算得的结果很　接近　表３所示的是跨度为２７　ｍ的桥在荷载吨位为　ｌ　０００　ｋＮ时，用有限元法求出的各排桁架的跨中最　大弯矩和挠度值。从表３可以看出，用有限元法算　出的结果是偏心侧内排桁架的沉降最大，跨中弯矩　也最大、最不利，这与实际情况是相符的。　维普资讯 http://www.cqvip.com

５０　遵析与防珙　２００６年１月第ｌ期　表３有限元法计算出的跨中最大弯矩和挠度值　４有限元法与简化算法的对比分析　以跨度为２７　ｍ的桥、Ｐ取１　００ｏ　ｋＮ为例来对　简化算法和有限元法的计算结果进行对比分析。表　４列出了用两种方法分别求出的主桁架的最大剪　力、弯矩，横梁、桥板、纵梁的最大弯曲应力，纵梁的　最大剪应力值以及它们的容许值。从表４中＿口丁．以看　出，两种方法求出的值除横粱的最大弯曲应力外均　比较接近。　表４两种方法分别求ｔ：：ｌｌ的各承载力控制量的值对比　　．桁架最　桁架最　横梁最大桥板最大纵梁最大纵粱最大　篓翥　ｋＮ　Ｍ姚Ｐ姚蚰ａ　ＭＰａ　ＭＰａ　（　ＭＰ　１７３．　１　０９６．２¨　５。４５　８２．５１　怕・９１　ＡＮＳＹＳ值ｌ７ｌ＿７　１　０９７．５　ｌ６ｌ　５．６６　８２．３３　４７．７　容许值　２４５．２　１　６８７．５　２９７　ｌ４．５　２７３　２０８　横梁应力差别较大的主要原凶是：在用简化算　法来计算时，其计算假定是把横梁看作简支梁，计算　跨度取的是４．２　ｍ，也就是内排桁架的间距．将单轴　作用在最大偏心位置时的最大应力作为最大应力；　而用有限元法，横梁的两边都是放在三排桁架Ｅ的，　若也将它简化成简支梁模型，则应取活载处在最大　偏心位置时两边的桁架对横梁作用力的合力位置的　间距Ｌ作为计算跨度（见图３），由于各排桁架对横　梁都有作用力，所以合力位置应处在三排桁架之间，　从而合力位置的间距也即计算跨度将大于４．２　ｍ，　而计算跨度越大，最大应力的值就越大，并目．其大小　对最大应力的影响程度也较大，所以两种方法算出　的最大应力差别较大。　图３横梁计算跨度不意图（单位Ⅲ１）　桥板、纵粱的最大弯曲应力以及纵梁的最大剪　应力用ＡＮＳＹＳ来汁算时，它们达到最大值时的工　况与简化算法的假定基本上是一致的，从而它们计　算出来的值比较接近。另外，从表４中还可以看出，　求出的这三个量与它们的容许值都还相差较大，也　就是说一般情况下这三个量都能够满足要求，因此　在进行承载力分析时，可以不再考虑这三个量。　５承载力的有限元分析　为了清楚地说明问题，将跨度为１８～３０　ｍ的　桥由主桁架的剪力、弯矩和横梁应力分别控制的承　载力的值在图５上表示出来。　８００　４００　蚕　０００　６００　耱　２００　慨　８００　４００　０００　ｌ　图４　主桁架的剪力、弯矩和横梁应力　分别控制的承载力随跨度的变化趋势线　从图４中可以清楚地看出，由主桁架的剪力和　弯矩控制的承载力随跨度的增大而大幅度下降，其　中弯矩下降的速度比剪力大。由横梁弯曲应力控制　的承载力随跨度的增加有很小幅度的增长，而按照　简化算法是不变的　产生这一差别的原因是：简化　算法是横梁看作足孤立的简支梁用固定的计算跨度　来计算的，所以由横梁弯曲应力控制的承载力值与　桥的跨度是没有关系的；而用有限元法，横梁不是孤　立的，它是桥这个整体的一部分，跨度发生变化也就　是整体的结构形式发生变化将对横梁的相当计算跨　度产生一定的影响，所以不同跨度的桥计算出的横　梁最大应力会略有差别，但差值很小，仍可以认为基　本上是不变。　多取一些跨度值进行分析可以发现，这三个量　控制的承载力随跨度的变化仍然符合这一规律，从　而三条变化趋势线只在１８　ｍ～３Ｏ　ｍ的跨度之间有　交点。因此，可以得出下列结论：　（１）对跨度在１８　１７＂１以下的桥，其承载力是由横　梁应力控制的；　（２）对跨度在２ｌ　ｍ～２７　ｍ的桥，其承载力是由　主桁架的剪力控制的；　（３）对跨度在３０　ｒｉｆ以上的桥，其承载力是由主　桁架的弯矩控制的；　（４）从总体上说，对跨度在１８　ＩＴＩ以下的桥，其　承载力基本不变，而对跨度在２ｌ　ｒｎ以上的桥，其承　载力随跨度的增加而逐渐下降。　６　结束语　本文分析Ｊ，在军用桥梁的漫计计算中所采用的　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年１月第１期　城渖遵析与　珙　微型混凝土沉管灌注桩复合地基设计探讨　张伟明　（南通市水利勘测设计研究院有限公司。江苏南通　２２６００６）　摘　要：微型混凝土沉管灌注桩复合地基是上世纪８０年代提出并应用于局部地基处理的一种方法，具有施工方　便、噪声小、污染小、成本较低等优点，应用范围较广，但其理论计算一直落后于工程实践，制约了其发展，鉴此，根　据ＣＦＧ桩的计算方法，总结出该复合地基的计算公式，并在工程实践中予以验证。　关键词：地基处理；微型混凝土沉管灌注桩；复合地基；设计计算ｆ南通市　中图分类号：ＴＵ４７２文献标识码：Ａ文章编号：１００９—７７１６（２００６）０１—００５１一Ｏ３　基土共同承担荷载的地基。微型混凝土沉管灌注桩　１　概述　是指在软弱地基中，通过振动沉管的方式在地基中　微型混凝土沉管灌注桩是指桩径不大于２５０　灌入混凝土桩体，从而形成复合地基的一种方式。　ａｒｍ（通常为２２０　ｍｍ），桩长不大于６　ｍ的素混凝土　该方法通过振动沉管方式使土体受到振动、挤密、排　刚性、半刚性短桩。　水作用，使上部土的强度得到较大提高。同时，在复　微型混凝土沉管灌注桩复合地基是上世纪８０　合地基工作时，因桩体具有一定的刚性，故能将上部　年代提出并应用于建（构）筑物地基局部处理的一种　荷载中的部分荷载传至下部，又由于桩的侧摩阻力，　方法，后经专题试验及工程实践已在南通地区被广　将部分荷载分散到各层土层中，由于微型混凝土沉　泛采用。到目前为止．在南通地区已有多项水利工　管灌注桩桩距较小，一般仅为７００　ｍｍ～１　２００　ｍｍ　程、码头工程、公路桥梁工程、以及２００多幢住宅楼　之间，故形成较为密集的桩群，部分应力能重叠，形　和办公写字楼工程采用这种处理方法，据长期观察　成群桩效应，整个加固区类似加深了的块体基础，提　和走访使用者，反馈结果是满意的。　高了加固区土体的承载能力，并降低其压缩量，从而　达到加固地基的目的。　２　作用机理　３　计算原理　复合地基（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）是以桩土共　同作用为基本条件的一种地基处理方式，即部分土　微型混凝土沉管灌注桩这种加固地基方式与　体被增强或被置换形成增强体，由增强体和周围地　《建筑地基处理技术规范》（ＪＧＪ　７９—２００２）的用振动　沉管法施工的水泥粉煤灰碎石桩法（ＣＦＧ桩）类似，　收稿Ｅｔ期：２００５—０９—０６　故在设计时，可参考采用ＣＦＧ桩的复合地基估算公　作者简介：张伟明（１９６７一），男．江苏南通人，工程师，岩土工程勘察所　式进行估算，并根据微型混凝土沉管灌注桩的特性　所长，从事岩土工程勘察设计工作。　分析软件ＡＮＳＹＳ，对装配式公路钢桥的承载能力　参考文献　进行了分析。分析结果表明：在计算主桁架的剪力　［１］黄绍金，刘陌生．装配式公路钢桥多用途使用手册［Ｍ］・　和弯矩时，虽然偏心受压法的计算假定与实际情况　北京：人民交通出版社，２００２，。・　不相符，但是其计算结果与有限元法的结果比较接　［。］苟明康，陶俐・装配式公路钢桥设计和使用中的几个问题　，　进　比　嘲　种部．军用　设计㈣　元法要方便，因此在实际应用中，仍可采用偏心受压　．Ｍ］．北京　解放军出版社。２ｏ０１．２．　法来计算主桁架的剪力和弯矩；用有限元法分析出　［４］王国强．实用工程数值模拟技术及其在ＡＮＳＹＳ上的实　的装配式公路钢桥针对图２所示荷载形式的承载力　践［Ｍ］．西安：西北工业大学出版社，１９９９．　随跨度的变化规律较为合理，对实际应用具有一定