基于有限元分析的组合截面计算方法研究.pdf

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1、 基于有限元分析的组合截面计算方法研究 组合结构是由两种及以上的建筑材料相互連接在一起构成的一种更加合理的构件或结构体系。钢管混凝土拱桥、钢混凝土组合钢板梁、波形腹板箱梁桥等都属于组合结构的范畴。组合结构能发挥不同材料的特性，在现代桥梁结构中应用越来越广泛。组合截面补强方法也成为了提高结构承载力行之有效的加固方法之一。本文以一座组合截面简支梁桥作为研究背景，浅析组合截面的计算理论及有限元计算方法，同时介绍该方法中的相关注意事项。标签：组合截面;有限元;桥梁加固 1 组合截面计算方法 1.1 基本假设 对组合结构的计算，不考虑钢与混凝土间的滑移，一般是将混凝土按刚度等效的原则折算为钢材，将结合截

2、面特性（主要为面积和惯性矩）转换算为同种材料（钢材）的特性，截面变形满足平截面假定，且处于弹性变形状态。在此基础上再按普通截面的计算原则进行受力分析和内力计算。1.2 计算原理 组合截面的计算方法复杂，本节以一简支钢混组合梁作为背景结合相关理论推导出组合截面内力的计算公式及分配原则。图 2-1 组合截面荷载内力分配示意 将组合梁截面作如图 2-1图 2-2 所示分解，求出截面各部分应力。根据截面内力平衡条件，分配后内力与整体截面内力关系：;式中：y1、y2 分别为新旧截面形心到组合截面形心轴的距离。图 2-2 组合截面形心示意 假定钢结构层相应截面参数为 E1、I1、A1;混凝土桥面板结构按等

3、效换算原则将桥面板材料换算成钢结构层截面材料，换算后混凝土桥面板材料参数为：换算后，组合截面面积及惯性矩分别为 A、I。根据平截面假定，在 M、N作用下原拱圈截面和新增拱圈截面曲率 1、2，与组合截面曲率 是相同的，即：根据曲率与弯矩关系可得：根据平截面假定，截面换算后，可以得到等效截面应力：新旧拱圈截面中性轴处的实际应力应为：符合平截面假定：相应地可以得到新旧拱圈截面中性轴处的应变：2 工程简介及有限元模型的建立 本文以一简支组合截面梁为研究背景，采用 Midas/Civil 施工阶段联合截面对其进行施工阶段分析，该桥计算跨径为 15.0m。本次计算对该桥进行如下几个施工阶段进行分析：CS1

4、、简支工字钢;CS2、C50 混凝土桥面板、CS3、桥面铺装二期恒载 10kN/m 激活。结构截面尺寸及有限元分析模型见图 2.1-1图 2.1-2。图 2.1-1 截面尺寸（单位：mm）图 2.1-2 Midas/Civil 分析模型 3 计算结果对比 3.1 手算部分 本文中各层结构参数见表 3.1-1。表 3.1-1 结构参数表 截面参数 钢结构层 混凝土结构层 弹性模量 E 2.1105MPa 3.45104MPa 惯性矩 I 0.00814174m4 0.000421875m4 面积 A 0.05118m2 0.2250m2 6.087 组合截面 弹性模量 E 3.45104MPa

5、惯性矩 I 组合 0.08599m4 惯性矩 I1 0.00042m4 惯性矩 I2 0.04856m4 面积 A 组合 0.5365m2 面积 A1 0.2250m2 面积 A2 0.3115m2 通过计算可以得到各施工阶段钢结构层与混凝土结构层分配的弯矩，见表3.1-2 表 3.1-2 各阶段弯矩分配 弯矩 施工阶段 组合截面整体弯矩（Mpa）钢材结构层分配弯矩（MPa）混凝土结构层分配弯矩（MPa）CS1 110.81 110.81 0.00 CS2 269.01 201.99 0.78 CS3 550.26 364.08 2.16 注：上表中各数据依据不同施工阶段按照 1.2 节中的相

6、关公式计算得到，读者可依据结构的截面参数自行计算。3.2 有限元计算部分 根据本文中提及的结构形式及施工阶段信息，建立 Midas/Civil 有限元分析模型，利用施工阶段联合截面功能对该桥进行计算，并将计算结果与上述手算结果进行对比。各阶段弯矩图见图 3.2-1图 3.2-9 所示 3.3 结果对比 通过上述计算结果对比可知，两种计算方法计算结果相同。简单结构可以采用手算的方法进行计算，然而对于复杂结构手算方法计算量比较大而且容易出错，因此可以利用有限元方法可以对包括钢管混凝土结构在内的复杂结构进行计算分析。4 有限元计算中的注意事项 1、利用不同的施工方法对相同的桥梁进行施工，最后的成桥内

7、力状态是不同的，即施工方法决定桥梁的成桥受力状态。2、本文中 CS1CS3 计算结果中可以看出，施工阶段计算过程各部件结构内力具有累加性 3、利用 Midas/Civil 进行计算中，要依照施工顺序激活各部分，即本文中应将工字型截面（非组合后的整体截面）赋予给个单元作为初始截面，后通过施工阶段联合截面将桥面板与工字型截面组合，这一点在做设计是要特别注意。参考文献：1姚玲森.桥梁工程（第二版）M.北京：人民交通出版社，2008.2李乔.混凝土结构设计原理M.北京：中国铁道部出版社，2001.作者简介：丁艳超，男，出生年月：1988 年 06 月，籍贯：黑龙江省绥化市，学历：硕士研究生，专业：结构工程。