有限元法分析橋梁穩(wěn)定性

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1、有限元法分析橋梁穩(wěn)定性房新月深圳廣鐵土木工程有限公司摘要：隨著現(xiàn)代化城市建設(shè)的發(fā)展，兼具功能性及美觀性一體的橋梁越來越多的出現(xiàn)在城區(qū)及風(fēng)景區(qū)，這也標(biāo)志著施工技術(shù)和藝術(shù)的完美結(jié)合。在針對(duì)一些造型優(yōu)美的橋梁進(jìn)行內(nèi)力分析時(shí)，這種結(jié)構(gòu)形式和支撐條件復(fù)雜的橋梁(比如預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)異形斜拉橋)，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)和力學(xué)求解方法受諸多前提條件的限制，適用面窄，計(jì)算過程繁瑣，結(jié)果較為粗糙，這種方法己經(jīng)逐漸被與計(jì)算機(jī)結(jié)合的有限元法所取代。結(jié)合工程，淺析有限元法在橋梁穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：連續(xù)梁異形斜拉橋有限元法；穩(wěn)定性分析1.工程概況某橋梁位于該區(qū)一個(gè)總長(zhǎng)2公里多曲線橋的尾

2、部。整個(gè)大橋位于湖東岸，車行橋梁全長(zhǎng)2400m,人行橋全長(zhǎng)1310m,呈南北走向，北連游覽區(qū)，南接規(guī)劃的觀光養(yǎng)殖IX，中間跨越河口。車行橋全長(zhǎng)2.1km，橋?qū)?4m、26m和29.5m，總共20聯(lián)，該橋位于第二聯(lián)，是一座(30+4040+30)m的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)梁異形斜拉橋，橋?qū)?6m。主梁?jiǎn)蜗?室預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，橋梁的上部雕塑采用鋼結(jié)構(gòu)，中間骨架與箱梁固結(jié)在一起，兩邊骨架與斜腿固結(jié)在一起。與下部承臺(tái)及主梁固結(jié)后，極大增強(qiáng)了造型的抗震及抗風(fēng)性能。見圖1-1。圖1-1橋結(jié)構(gòu)形式2.有限元模擬方法和模型2.1主梁有限元模擬對(duì)該橋建立全橋空間有限元模型，梁

3、體采用梁格法，上部結(jié)構(gòu)采用空間單元和桁架單元建立有限元模型。在梁格分析法中，縱梁的劃分是關(guān)鍵。對(duì)于T型梁橋，其梁格模型中縱向主梁的個(gè)數(shù)，應(yīng)當(dāng)是腹板的個(gè)數(shù)；對(duì)于實(shí)心板梁，縱向主梁的個(gè)數(shù)可按計(jì)算者意愿決定；對(duì)于箱型梁橋，鑒于箱梁橋上部結(jié)構(gòu)的形狀和支座布置的多樣性，對(duì)縱向網(wǎng)格的劃分很難提出一個(gè)通用的法則。一般來說，用梁格法模擬箱梁結(jié)構(gòu)時(shí)，假定梁格網(wǎng)格在上部結(jié)構(gòu)彎曲的主軸平面內(nèi)，縱向構(gòu)件的位置均與縱向腹板相重合，這種布置可使腹板剪力直接由橫截面上冋一點(diǎn)的梁格剪力來表示。箱梁從什么地方劃開，使其成為若干個(gè)縱向主梁，應(yīng)當(dāng)使劃分以后的各工型的形心大致在同一高度上，也就是要滿

4、足：梁格的縱向構(gòu)件應(yīng)與原結(jié)構(gòu)梁肋（或腹板）的中心線相重合，通常沿弧向和徑向設(shè)置；縱向和橫向構(gòu)件的間距必須相近，使荷載的靜力分布較為靈敏。這樣劃分主要是考慮使得格梁和設(shè)計(jì)吋的受力線或中心線重合，也就是要根據(jù)原結(jié)構(gòu)的受力來劃分網(wǎng)格。在應(yīng)力變化較為劇烈的部位，為了得到構(gòu)件中較為精確的內(nèi)力分布，有必要將網(wǎng)格劃分的更細(xì)一些。按照上述的劃分原則，以一個(gè)單箱單室的箱梁上部結(jié)構(gòu)為例，截面尺寸如圖2-1，把其從兩腹板間中央切開成“工字型”梁，圖2-2給出了箱梁截面的梁格劃分圖式，所劃分的梁格網(wǎng)格是具有與腹板中心線相重合的兩根“結(jié)構(gòu)的”縱向構(gòu)件1、2,很顯然，這樣的劃分方式使得2

5、個(gè)縱向構(gòu)件的中性軸位于同一直線上，并且恰好與整體箱梁截面的中性軸重合，便可以在計(jì)算梁格剛度時(shí)簡(jiǎn)化計(jì)算，每一“工字梁”的慣性矩是上部結(jié)構(gòu)總慣性矩的二分之一。D：恒載（一恒+二恒）L1:全橋滿布活載（公路I級(jí)荷載）W：風(fēng)荷載由表3-1可知，各種荷載中，恒載和活載對(duì)穩(wěn)定性影響較小，而風(fēng)荷載對(duì)穩(wěn)定性影響較大；全橋的屈曲主要控制位置是葉片，其次是斜塔和犄角。全橋整體屈曲穩(wěn)定系數(shù)足夠大，整體穩(wěn)定性滿足要求。3.2活荷載對(duì)穩(wěn)定性的影響由表3-1可見，工況1和工況2屈曲穩(wěn)定系數(shù)幾乎完全一致，而且都很大,達(dá)到1500以上。這兩個(gè)工況的屈曲控制位置都在橋梁上部鋼結(jié)構(gòu)雕塑的尖刺部位

6、。由此可見，活載對(duì)該橋的穩(wěn)定性影響很小。圖3-1~圖3-3為工況1的前三階屈曲模態(tài)圖，圖中率先屈曲的部位用紅色標(biāo)注。3.3風(fēng)荷載對(duì)穩(wěn)定性的影響由表3-1可見，工況3和工況4屈曲穩(wěn)定系數(shù)完全一致。這兩個(gè)工況的第一階和第二階屈曲控制位置都在橋梁上部鋼結(jié)構(gòu)雕塑的葉片部位；第三階屈曲控制位置都在橋梁上部鋼結(jié)構(gòu)雕塑的葉片、斜塔、犄角部位。這兩個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果又一次表明活載對(duì)該橋的穩(wěn)定性影響很小。工況3和工況4的穂定性系數(shù)比工況1和工況2的穩(wěn)定性系數(shù)小了許多，前者不到后者的2%,這表明風(fēng)荷載是該橋穩(wěn)定性的控制因素。3.4最不利工況下穩(wěn)定性分析工況5橋梁的屈曲穩(wěn)定系數(shù)最低，

7、因此是橋穩(wěn)定性的最不利工況。這個(gè)工況的第一階和第二階屈曲控制位置都在橋梁上部鋼結(jié)構(gòu)雕塑的葉片部位，第三階屈曲控制位置都在橋梁上部鋼結(jié)構(gòu)雕塑的葉片、斜塔、犄角部位。由此可見，在最不利情況下，最低穩(wěn)定系數(shù)也達(dá)到了21.4,即恒載、活載和風(fēng)荷載同時(shí)增大到設(shè)計(jì)值的21.4倍，結(jié)構(gòu)才在橋梁上部鋼結(jié)構(gòu)雕塑的某些部位出現(xiàn)屈曲，所以該橋有足夠的穩(wěn)定性，即穩(wěn)定性不控制設(shè)計(jì)。4結(jié)論本文對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了探討，對(duì)該橋建立的有限元模型分析計(jì)算了該橋在5工況下的穩(wěn)定特征值及失穩(wěn)模態(tài)，得出如下結(jié)論：1.恒載、活載和風(fēng)荷載三種荷載中，恒載和活載對(duì)該橋的穩(wěn)定性影響較小,而風(fēng)荷載的影響較

8、大。1.全橋屈曲的控制部位是橋上鋼結(jié)構(gòu)