劉歡

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津市 3 00142）

不同腹板嵌入方式模擬對(duì)波形鋼腹板組合箱梁建模精度的影響

劉歡

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津市 3 00142）

為探究不同腹板嵌入方式模擬對(duì)波形鋼腹板組合箱梁建模精度和效率的影響，利用ANSYS建立三種連接方式下的有限元模型，分析其在荷載作用下的撓度、應(yīng)力、剪力滯效應(yīng)和自振頻率，并將有限元模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，以找出最符合實(shí)際的連接方式。結(jié)果表明，MPC方式的建模效率明顯高于共節(jié)點(diǎn)式與嵌入式，且能夠滿足精度要求，是最符合實(shí)際腹板嵌入連接的方式。該研究可為波形鋼腹板組合箱梁有限元仿真提供參考。

波形鋼腹板；剪力連接件；有限元模擬；試驗(yàn)對(duì)比

0 引 言

波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)橋梁起源于法國(guó)，在日本得到廣泛應(yīng)用，因具有梁體整體重量較輕，抗震性能好，預(yù)應(yīng)力的施加效率高，腹板抗剪性能優(yōu)越，耐久性好，有良好的視覺美感等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]而被設(shè)計(jì)師門所青睞，具有廣闊的發(fā)展前景。波形鋼腹板組合箱梁近年來(lái)的研究多以靜力學(xué)性能研究為主[2-5]，且研究手段多以變分推導(dǎo)、有限元仿真和模型試驗(yàn)為主。如何保證建模精度和效率，同時(shí)解決研究中出現(xiàn)有限元建模和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果存在較大偏差的問題，值得研究人員和設(shè)計(jì)人員深入思考。

本文采用有限元分析與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)波形鋼腹板嵌入頂、底板方式進(jìn)行研究，對(duì)比三種連接方式下模型的力學(xué)性能，從而選取出一種最為合理且接近實(shí)際情況的剪力連接件模擬方式，為后續(xù)研究人員利用有限元軟件建立波形鋼腹板組合箱梁模型提供有效借鑒和技術(shù)支持。

1 腹板嵌入連接方式研究

一般來(lái)說(shuō)，波形鋼腹板與混凝土上、下翼板的連接采用以下4種連接方式[6]：（1）嵌入型連接；（2）角鋼剪力鍵連接；（3）雙開孔鋼板連接鍵連接（Twin-PBL連接）；（4）單開孔鋼板與栓釘?shù)牟⒂眠B接（S-PBL連接+栓釘連接）。在通常的有限元模擬中，頂、底板（混凝土板）采用Solid單元模擬，波形鋼腹板采用Shell單元模擬，由于這兩種單元具有不同的自由度[7]，所以在腹板嵌入時(shí)存在模擬精度誤差和計(jì)算效率較低的問題。解決這一問題，通常的有限元模擬手段有三種（見圖1）。

圖1 三種嵌入方式的有限元模擬

2 模型試驗(yàn)

本次試驗(yàn)梁采用的腹板嵌入方式是目前使用最廣泛的嵌入型與栓釘并用連接的方式（見圖2），嵌入深度為55 mm，橋縱向的抗剪作用主要靠斜幅間的混凝土塊（亦稱抗剪齒鍵）與橋橫向貫通鋼筋來(lái)共同承擔(dān)；橫隔板和腹板以及頂?shù)装暹B接采用卡槽連接，后期用粘接劑連接到一起形成整體。

圖2 模型試驗(yàn)梁使用的嵌入型與栓釘并用的連接方式

集中加載：利用反力架加載跨中集中荷載，并反復(fù)加載三次。作用點(diǎn)為波形鋼腹板箱梁的上翼板與波形鋼腹板交界處，每一處作用位置力的大小為15 kN，分三級(jí)加載。

均布加載：通過堆放磚塊實(shí)現(xiàn)全跨均布加載，總的加載為36 kN，分三級(jí)加載。

撓度測(cè)點(diǎn)：選取試驗(yàn)梁1/4、1/2、3/4跨截面和端支座處進(jìn)行撓度測(cè)試，在箱梁底板布置撓度測(cè)點(diǎn)。

應(yīng)變測(cè)點(diǎn)：選取試驗(yàn)梁1/4、1/2、3/4跨截面進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試，在頂板、底板和腹板均布置應(yīng)測(cè)點(diǎn)。

自振頻率測(cè)點(diǎn)布置：在試驗(yàn)梁1/4、3/4跨和端支座處布置豎向拾振器、1/2跨截面布置豎向和橫向拾振器采集試驗(yàn)梁豎向以及橫向振動(dòng)并進(jìn)行模態(tài)分析，采用頻率范圍200 Hz。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 撓度

建立有限元模型，對(duì)比共節(jié)點(diǎn)式、嵌入式、MPC式三種模擬頂?shù)装迮c波形鋼腹板連接形式所建模型的參數(shù)化分析結(jié)果，提取三種不同建模方式的波形鋼腹板簡(jiǎn)支梁模型在分三級(jí)加載作用下跨中截面的豎向撓度，并與模型試驗(yàn)梁實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

由上述對(duì)比可知，在跨中集中荷載分級(jí)加載下，三種不同建模方式下的波形鋼腹板組合箱梁跨中截面的撓度基本呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，這一點(diǎn)都與實(shí)際情況吻合。集中荷載下嵌入式誤差最大高達(dá)19.2%，共節(jié)點(diǎn)式誤差最大值為11.7%，MPC方式最大誤差約為4.4%。均布荷載下嵌入式誤差最大高達(dá)7.0%，共節(jié)點(diǎn)式誤差最大值為10.5%，MPC方式誤差約為3.5%。但是相對(duì)于共節(jié)點(diǎn)式以及嵌入式，MPC式的撓度值更接近于實(shí)測(cè)結(jié)果。

圖3 有限元分析跨中撓度值與實(shí)測(cè)撓度值對(duì)比

3.2 應(yīng)力及剪力滯系數(shù)

試驗(yàn)梁在荷載作用下，頂?shù)装蹇v向正應(yīng)力沿箱梁橫向分布規(guī)律為靠近腹板位置最大，遠(yuǎn)離腹板位置較小，隨著加載等級(jí)的上升，頂?shù)装宓膽?yīng)力值呈線性上升態(tài)勢(shì)，波形鋼腹板高度范圍內(nèi)的應(yīng)變值幾乎為零，可忽略波形鋼腹板對(duì)箱梁縱向抗彎的貢獻(xiàn)。離支座位置較近距離處箱梁截面頂、底板存在剪力滯現(xiàn)象，且剪力滯效應(yīng)對(duì)撓度及自振頻率有一定影響[1]。

剪力滯效應(yīng)大小常用剪力滯系數(shù)來(lái)表征，提取三種不同建模方式下的波形鋼腹板簡(jiǎn)支梁模型在集中荷載2級(jí)加載作用下1/2跨處截面的頂、底板縱向正應(yīng)力數(shù)據(jù)，并繪制其沿箱梁寬度方向的剪力滯系數(shù)變化規(guī)律，同時(shí)與波形鋼腹板簡(jiǎn)支試驗(yàn)梁的實(shí)測(cè)剪力滯系數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比。數(shù)據(jù)對(duì)比如圖4、圖5所示。

根據(jù)圖4、圖5所示，顯示出頂、底板剪力滯效應(yīng)呈現(xiàn)靠近腹板區(qū)域的剪力滯系數(shù)最大，中心線處較小的正剪力滯現(xiàn)象。在跨中集中荷載作用下，根據(jù)上述三種混凝土頂?shù)装迮c波形鋼腹板連接方式模擬所建模型的相關(guān)截面剪力滯系數(shù)與實(shí)測(cè)剪力滯系數(shù)的對(duì)比結(jié)果可知，總體而言，三種建模方式的剪力滯系數(shù)趨勢(shì)都與實(shí)測(cè)結(jié)果一致，對(duì)比代表性位置的具體數(shù)值結(jié)果，MPC式的剪力滯系數(shù)更為接近實(shí)測(cè)結(jié)果，嵌入式次之，共節(jié)點(diǎn)式稍大，在均布荷載下有相似的規(guī)律。值得注意的是，集中荷載下腹板交界面處最大剪力滯系數(shù)大于均布荷載作用下剪力滯系數(shù)，在設(shè)計(jì)上應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員重視。

圖4 工況一2級(jí)加載作用下模型1/2跨截面頂板剪力滯系數(shù)分布對(duì)比圖

圖5 工況二3級(jí)加載作用下模型1/2跨截面頂板剪力滯系數(shù)分布對(duì)比圖

3.3 自振頻率

根據(jù)三種不同連接方式所建試驗(yàn)梁模型的模態(tài)分析結(jié)果，將豎向彎曲前兩階頻率與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（見表1）。

根據(jù)表1對(duì)比結(jié)果可知，三種不同模擬連接件建模方式的模態(tài)分析結(jié)果的一階頻率都與實(shí)測(cè)值差距不大，當(dāng)階數(shù)增大時(shí)，相比之下MPC式建模方式模型的結(jié)果與實(shí)測(cè)值差距最小，誤差僅為2.6%，嵌入式次之，共節(jié)點(diǎn)式稍大。

4 結(jié)論

通過三種不同模擬方式分別建立波形鋼腹板簡(jiǎn)支梁與連續(xù)梁有限元模型，對(duì)其靜動(dòng)力特性進(jìn)行模擬計(jì)算，并與實(shí)測(cè)試驗(yàn)梁結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。分析結(jié)果表明，三種建模方式都與實(shí)測(cè)值吻合良好，再次驗(yàn)證了這三種建模方式的正確性。然而，對(duì)于建模效率而言，MPC方式的建模效率明顯高于共節(jié)點(diǎn)式與嵌入式。所以在滿足精度要求的情況下，MPC建模方式為最優(yōu)選擇。

表1 波形鋼腹板簡(jiǎn)支梁豎向彎曲振動(dòng)頻率對(duì)比 Hz

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U441

A

1009-7716（2017）01-0137-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.040

2016-12-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51368032）

劉歡（1990-），男，甘肅隴南人，助理工程師，從事橋梁工程設(shè)計(jì)工作。