鋼箱梁計算分析與案例詳解

1、鋼箱梁計算分析與案例詳解匯報人：宋若雨 匯報時間：2021年6月目錄/Contents01020304鋼箱梁結(jié)構(gòu)概述鋼箱梁計算概述MIDAS梁單元分析MIDAS板單元分析01鋼箱梁結(jié)構(gòu)概述4鋼箱梁結(jié)構(gòu)概述鋼橋的優(yōu)點：（1）梁高較小，適用于建筑高度受限的場合，并相應(yīng)的可以減少引橋長度；（2）鋼結(jié)構(gòu)自重較小，對于橋梁下部結(jié)構(gòu)的抗震更為有利；（3）鋼結(jié)構(gòu)可以采用工廠預(yù)制拼裝的方法，分節(jié)段運抵施工現(xiàn)場，施工快捷方便。（4） .鋼箱梁較其他鋼橋優(yōu)點：（1）抗彎和抗扭剛度大，適合曲線橋和承受較大偏心荷載的直線橋；（2）箱式內(nèi)部為密閉空間，隔絕空氣和水的進入，有利于防腐或延長涂裝壽命；（3）有利于提高架設(shè)效

2、率，可采用大節(jié)段整體吊裝或頂推方法快速施工；（4）所有隔板均在箱式內(nèi)部，外形簡潔美觀。（5） .5鋼箱梁結(jié)構(gòu)概述鋼箱梁一般由頂板、底板、腹板、橫隔板、橫肋以及加勁肋等通過焊接或者栓接的方式連接而成。頂板兼橋面適用，由蓋板和縱向加勁肋構(gòu)成正交異性橋面板。6鋼箱梁結(jié)構(gòu)概述7鋼箱梁結(jié)構(gòu)概述8鋼箱梁結(jié)構(gòu)概述9鋼箱梁結(jié)構(gòu)概述10鋼箱梁結(jié)構(gòu)概述11鋼箱梁結(jié)構(gòu)概述12鋼箱梁結(jié)構(gòu)概述13鋼箱梁結(jié)構(gòu)概述14鋼箱梁結(jié)構(gòu)概述15鋼箱梁結(jié)構(gòu)概述16鋼箱梁結(jié)構(gòu)概述17鋼箱梁結(jié)構(gòu)概述18鋼箱梁結(jié)構(gòu)概述正交異性鋼橋面板，是用縱橫向互相垂直的加勁肋（縱肋和橫肋）連同橋面蓋板所組成的共同承受車輪荷載的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由于其剛度在

3、互相垂直的二個方向上有所不同，造成受力上的各向異性。19鋼箱梁結(jié)構(gòu)概述正交異性鋼橋面板，是用縱橫向互相垂直的加勁肋（縱肋和橫肋）連同橋面蓋板所組成的共同承受車輪荷載的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由于其剛度在互相垂直的二個方向上有所不同，造成受力上的各向異性。02鋼箱梁計算概述21鋼箱梁計算概述結(jié)構(gòu)設(shè)計是對結(jié)構(gòu)的強度、剛度、穩(wěn)定、疲勞進行系統(tǒng)的研究。強度：從材料強度出發(fā)，確定結(jié)構(gòu)的極限承載能力；剛度：結(jié)構(gòu)的變形驗算，保證行車舒適性和行車安全；穩(wěn)定：包括整體的抗傾覆以及局部構(gòu)件的失穩(wěn)驗算。疲勞：結(jié)構(gòu)在循環(huán)車輛荷載作用下穩(wěn)定性驗算。鋼箱梁有三個受力體系，分別為：第一體系：鋼橋面板和縱向加勁肋作為主梁的上翼緣，與主

4、梁一同構(gòu)成主要承重構(gòu)件結(jié)構(gòu)總體體系（支撐在橋墩支座上的整體受彎構(gòu)件）；第二體系：由縱肋、橫肋和橋面板組成的橋面系結(jié)構(gòu)，其中橋面板被看做縱肋和橫肋的共同上翼緣正交異性橋面板體系（支撐在腹板和橫隔板上的受彎構(gòu)件）；第三體系：僅指橋面板，它被視作支撐在縱肋和橫肋上的各項同性的連續(xù)板蓋板體系。22鋼箱梁計算概述根據(jù)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范JTG D64-2015，完整的鋼箱梁設(shè)計計算應(yīng)包括以下內(nèi)容：1 【5.3】受彎構(gòu)件正應(yīng)力驗算5.1.8受拉部位應(yīng)該考慮剪力滯影響，計算截面有效寬度；5.1.7/5.1.9受壓部位除考慮剪力滯外還需考慮局部穩(wěn)定，計算截面有效寬度；頂板計算時要求第一體系及第二體系疊加；底

5、板有壓重時，底板也需考慮第一及第二體系疊加。第三體系直接承受車輪荷載，并把荷載傳遞給縱肋和橫肋。橋面板應(yīng)力呈薄膜應(yīng)力狀態(tài)，可具有很大的超額承載力。第三體系應(yīng)力主要是沿橫橋向應(yīng)力，設(shè)計中只采用第一、第二體系組合而忽略第三體系應(yīng)力。23鋼箱梁計算概述根據(jù)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范JTG D64-2015，完整的鋼箱梁設(shè)計計算應(yīng)包括以下內(nèi)容：2 【5.3】受彎構(gòu)件腹板剪應(yīng)力驗算腹板在正應(yīng)力和剪應(yīng)力共同作用時，應(yīng)驗算24鋼箱梁計算概述根據(jù)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范JTG D64-2015，完整的鋼箱梁設(shè)計計算應(yīng)包括以下內(nèi)容：3 【5.3.2】整體穩(wěn)定驗算25鋼箱梁計算概述根據(jù)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范JTG D6

6、4-2015，完整的鋼箱梁設(shè)計計算應(yīng)包括以下內(nèi)容：4 【5.1.56】頂?shù)装迨軌杭觿爬呓Y(jié)構(gòu)尺寸及剛度驗算26鋼箱梁計算概述根據(jù)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范JTG D64-2015，完整的鋼箱梁設(shè)計計算應(yīng)包括以下內(nèi)容：4 【5.1.56】頂?shù)装迨軌杭觿爬呓Y(jié)構(gòu)尺寸及剛度驗算27鋼箱梁計算概述根據(jù)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范JTG D64-2015，完整的鋼箱梁設(shè)計計算應(yīng)包括以下內(nèi)容：4 【5.1.56】頂?shù)装迨軌杭觿爬呓Y(jié)構(gòu)尺寸及剛度驗算28鋼箱梁計算概述根據(jù)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范JTG D64-2015，完整的鋼箱梁設(shè)計計算應(yīng)包括以下內(nèi)容：5 【5.3.3】腹板加勁肋結(jié)構(gòu)尺寸及剛度驗算29鋼箱梁計算概述根據(jù)公

7、路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范JTG D64-2015，完整的鋼箱梁設(shè)計計算應(yīng)包括以下內(nèi)容：5 【5.3.3】腹板加勁肋結(jié)構(gòu)尺寸及剛度驗算30鋼箱梁計算概述根據(jù)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范JTG D64-2015，完整的鋼箱梁設(shè)計計算應(yīng)包括以下內(nèi)容：5 【5.3.3】腹板加勁肋結(jié)構(gòu)尺寸及剛度驗算31鋼箱梁計算概述根據(jù)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范JTG D64-2015，完整的鋼箱梁設(shè)計計算應(yīng)包括以下內(nèi)容：6 【5.3.4】支撐加勁肋驗算32鋼箱梁計算概述根據(jù)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范JTG D64-2015，完整的鋼箱梁設(shè)計計算應(yīng)包括以下內(nèi)容：7 【條文8.5】橫隔板剛度驗算33鋼箱梁計算概述根據(jù)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范

8、JTG D64-2015，完整的鋼箱梁設(shè)計計算應(yīng)包括以下內(nèi)容：7 【條文8.5】橫隔板剛度驗算34鋼箱梁計算概述根據(jù)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范JTG D64-2015，完整的鋼箱梁設(shè)計計算應(yīng)包括以下內(nèi)容：8 【5.5】疲勞驗算只看疲勞車的作用效應(yīng)，不組合其他荷載，且系數(shù)為1。構(gòu)件和連接采用疲勞I模型計算不通過時，采用疲勞II模型計算。橋面系構(gòu)件采用疲勞III模型計算。疲勞I采用多車道計算，疲勞II和疲勞III采用單車道計算。疲勞計算時不計沖擊作用，但在伸縮縫附近是應(yīng)乘增大系數(shù)。5.5.335鋼箱梁計算概述根據(jù)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范JTG D64-2015，完整的鋼箱梁設(shè)計計算應(yīng)包括以下內(nèi)容：8 【

9、5.5】疲勞驗算36鋼箱梁計算概述根據(jù)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范JTG D64-2015，完整的鋼箱梁設(shè)計計算應(yīng)包括以下內(nèi)容：8 【5.5】疲勞驗算37鋼箱梁計算概述根據(jù)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范JTG D64-2015，完整的鋼箱梁設(shè)計計算應(yīng)包括以下內(nèi)容：8 【5.5】疲勞驗算38鋼箱梁計算概述根據(jù)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范JTG D64-2015，完整的鋼箱梁設(shè)計計算應(yīng)包括以下內(nèi)容：8 【5.5】疲勞驗算39鋼箱梁計算概述根據(jù)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范JTG D64-2015，完整的鋼箱梁設(shè)計計算應(yīng)包括以下內(nèi)容：8 【5.5】疲勞驗算40鋼箱梁計算概述根據(jù)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范JTG D64-2015，完

10、整的鋼箱梁設(shè)計計算應(yīng)包括以下內(nèi)容：8 【5.5】疲勞驗算41鋼箱梁計算概述根據(jù)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范JTG D64-2015，完整的鋼箱梁設(shè)計計算應(yīng)包括以下內(nèi)容：9 【5.5】疲勞驗算42鋼箱梁計算概述根據(jù)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范JTG D64-2015，完整的鋼箱梁設(shè)計計算應(yīng)包括以下內(nèi)容：10 【4.2.2】抗傾覆驗算（結(jié)合混規(guī)4.1.8及條文說明）43鋼箱梁計算概述根據(jù)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范JTG D64-2015，完整的鋼箱梁設(shè)計計算應(yīng)包括以下內(nèi)容：11 【4.2.3】整體剛度（變形）12 【4.2.4】預(yù)拱度計算44鋼箱梁計算概述根據(jù)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范JTG D64-2015，完整的

11、鋼箱梁設(shè)計計算應(yīng)包括以下內(nèi)容：13 【6.26.3】連接（焊縫、螺栓）驗算焊縫的各項力學(xué)性能參數(shù)不低于母材標(biāo)準(zhǔn)值，通常采用等強度設(shè)計，且焊縫構(gòu)造尺寸應(yīng)滿足規(guī)范要求。角焊縫應(yīng)根據(jù)受力大小驗算焊縫焊腳高度。栓接應(yīng)根據(jù)等強度原則或者根據(jù)內(nèi)力計算螺栓的數(shù)量、拼接板的厚度以及根據(jù)構(gòu)造規(guī)定確定螺栓孔的布置間距。03MIDAS梁單元建模46MIDAS梁單元建模以跨徑40m，橋?qū)?2m簡支鋼箱梁，演示說明MIDAS/Civil梁單元建模方法及過程。47MIDAS梁單元建模以跨徑40m，橋?qū)?2m簡支鋼箱梁，演示說明MIDAS/Civil梁單元建模方法及過程。48MIDAS梁單元建模以跨徑40m，橋?qū)?2m簡支

12、鋼箱梁，演示說明MIDAS/Civil梁單元建模方法及過程。49MIDAS梁單元建模以跨徑40m，橋?qū)?2m簡支鋼箱梁，演示說明MIDAS/Civil梁單元建模方法及過程。部位板厚（mm）頂、底板16腹板14頂、底板加勁肋16腹板縱向加勁肋12腹板豎向加勁肋14半高肋12普通橫隔板12端橫隔板20懸臂橫隔板12支撐加勁肋2550MIDAS梁單元建模40m簡支鋼箱梁，為方便建模演示，各部位厚度按下表取值。51MIDAS板單元建模52MIDAS梁單元建模采用midas中截面特性計算器工具，制作鋼箱梁截面。53MIDAS梁單元建模導(dǎo)入CAD中畫好的截面。設(shè)置單位與CAD中相同。54MIDAS梁單元建

13、模根據(jù)一般構(gòu)造中頂?shù)赘拱寮凹觿爬叩暮穸?，設(shè)置線寬。55MIDAS梁單元建模指定閉合區(qū)域。56MIDAS梁單元建模若對于閉合截面沒有指定閉合區(qū)域會導(dǎo)致截面慣性積Ixy與扭轉(zhuǎn)慣性矩J計算不準(zhǔn)確。對于單箱多室的鋼箱梁截面，可以由頂?shù)装搴屯鈧?cè)腹板組成的閉合區(qū)域，這樣得到的扭轉(zhuǎn)慣性矩J比分別指定每個箱式的閉合區(qū)域計算得到的小，結(jié)果偏于保守。生成截面。57MIDAS梁單元建模導(dǎo)出截面ModelSectionExport58MIDAS梁單元建模59MIDAS梁單元建模60MIDAS梁單元建模使用擴展的方法生成模型根據(jù)結(jié)構(gòu)的布置，按照以下間距生成580,21710,321000,21710,580這樣方便后期

14、在這些節(jié)點上加載結(jié)構(gòu)自重61MIDAS梁單元建模62MIDAS梁單元建模63MIDAS梁單元建模64MIDAS梁單元建模65MIDAS梁單元建模整體升降溫按照升溫25，降溫25考慮。66MIDAS梁單元建模67MIDAS梁單元建模68MIDAS梁單元建模69MIDAS梁單元建模70MIDAS梁單元建模71MIDAS梁單元建模72MIDAS梁單元建模73MIDAS梁單元建模74MIDAS梁單元建模75MIDAS梁單元建模76MIDAS梁單元建模77MIDAS梁單元建模78MIDAS梁單元建模79MIDAS梁單元建模80MIDAS梁單元建模運行分析，得到結(jié)構(gòu)的自振特性以及支反力，更新模型。81MI

15、DAS梁單元建模第一體系頂板最大壓應(yīng)力116.2MPa。82MIDAS梁單元建模底板最大壓應(yīng)力163.6MPa。83MIDAS梁單元建模程序提出腹板剪應(yīng)力57.1MPa。是否可直接使用？84MIDAS梁單元建模程序提出腹板剪力5944044.3N，腹板面積2000144=112000腹板剪應(yīng)力按照材料力學(xué)公式計算峰值剪應(yīng)力：1.55944044112000=79.6MPa85MIDAS梁單元建模第二體系采用車輛荷載計算，將車輛荷載折算成一個肋上的荷載。=0.5 1.8 0.6 + 2 （1 + ） 縱肋間距； 鋪裝厚度；midas計算的沖擊系數(shù)；0.6后輪著地寬度；0.5 輪重為單軸的一半；1

16、.8汽車局部加載沖擊系數(shù)。計算得到=0.27186MIDAS梁單元建模87MIDAS梁單元建模88MIDAS梁單元建模第二體系頂板最大壓應(yīng)力79.7MPa，最大拉應(yīng)力為94.6MPa。第一體系+第二體系：頂板最大壓應(yīng)力116.2+79.7=195.9MPa。89MIDAS梁單元建模驗算頂板受壓板件加勁肋剛度頂板受壓加勁肋為剛性加勁肋，滿足規(guī)范的構(gòu)造要求，可認為滿足結(jié)構(gòu)局部穩(wěn)定的要求，無需進行局部穩(wěn)定驗算。90MIDAS梁單元建模驗算腹板加勁肋的剛度及間距腹板厚度14，設(shè)置一道縱向加勁肋，間隔2m設(shè)置一道腹板豎向加勁肋，腹板加勁肋的剛度和間距滿足規(guī)范要求。91MIDAS梁單元建模驗算支撐加勁肋支

17、撐加勁肋的設(shè)置滿足規(guī)范要求。92MIDAS梁單元建模驗算頂板受壓局部穩(wěn)定折減系數(shù)驗算剪力滯折減系數(shù)部位第一體系第二體系折減系數(shù)結(jié)果限值頂板116.279.70.9221212.5270底板163.61163.6270腹板79.6-79.616093MIDAS梁單元建模各部位主要應(yīng)力結(jié)果見下表。按最不利包絡(luò)工況計算腹板折算應(yīng)力，計算結(jié)果為0.55，滿足規(guī)范要求。94MIDAS梁單元建模疲勞應(yīng)力幅95MIDAS梁單元建模疲勞應(yīng)力幅-頂板96MIDAS梁單元建模疲勞應(yīng)力幅-底板97MIDAS梁單元建模頂板應(yīng)力幅13.2MPa，底板應(yīng)力幅21.2MPa，剪應(yīng)力幅10.9MPa。正應(yīng)力疲勞極限為0.73

18、7110=81.1MPa，考慮1.35系數(shù)，允許值為60.1MPa。剪應(yīng)力疲勞極限為0.45780=36.6MPa,考慮1.35系數(shù)，允許值為27.1MPa。98MIDAS梁單元建模使用CDN進行抗傾覆驗算。99MIDAS梁單元建模使用CDN進行抗傾覆驗算。100MIDAS梁單元建模特別的，提取溫度梯度作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，以為后續(xù)對比分析使用。04MIDAS板單元建模102MIDAS板單元建模因為正交異性鋼橋面板以及鋼結(jié)構(gòu)的特殊受力狀態(tài)，橫向受力不容忽視，需要考慮剪力滯、局部穩(wěn)定造成的應(yīng)力折減以及第二體系的應(yīng)力狀態(tài)。但是使用常規(guī)的桿系模型計算鋼箱梁的受力時，梁單元不能模擬橫向的變化，雖然建模操作

19、簡單，但是后續(xù)的計算分析較為繁瑣，并且極容易出錯。板單元是介于梁單元與實體單元之間的方法，使用MIDAS/Civil建立鋼箱梁全橋的板單元模型，對結(jié)構(gòu)進行計算分析，可以較為精準(zhǔn)的分析出鋼箱梁的應(yīng)力大小及分布，結(jié)果較為直觀可信。103MIDAS板單元建模104MIDAS板單元建模105MIDAS板單元建模從本質(zhì)上說，面內(nèi)剛度為膜單元剛度，即平面內(nèi)兩軸向剛度和垂直平面的扭轉(zhuǎn)剛度；面外剛度對應(yīng)板單元剛度，即平面內(nèi)兩個彎曲剛度和垂直平面的剪切剛度。一般對于實心板單元的面內(nèi)、面外厚度取相同值，對于空心板單元就需要分別輸入厚度。當(dāng)程序計算板單元的自重時，采用的是面內(nèi)厚度。如果用戶只輸入了面外厚度，程序取用

20、該值。鋼箱梁中的板單元均為實體板，此處選面內(nèi)和面外即可。106MIDAS板單元建模107MIDAS板單元建模普通斷面建立108MIDAS板單元建模普通斷面建立109MIDAS板單元建模普通斷面建立將導(dǎo)入的線框擴展為板單元，但須按照一般構(gòu)造，在橫隔板、半高肋等位置預(yù)留出相應(yīng)的節(jié)點，其余位置按500mm一個節(jié)點建立單元，擴展間距應(yīng)為110MIDAS板單元建模普通斷面建立重新賦予各位置鋼板不同的厚度，并建立分組。111MIDAS板單元建模普通橫隔板建立112MIDAS板單元建模普通橫隔板建立113MIDAS板單元建模普通橫隔板建立在導(dǎo)入的線框上建立板單元114MIDAS板單元建模普通橫隔板建立在加勁

21、肋位置上擴展加勁肋115MIDAS板單元建模普通橫隔板建立在加勁肋位置上擴展加勁肋116MIDAS板單元建模普通橫隔板建立在加勁肋位置上擴展加勁肋117MIDAS板單元建模普通橫隔板建立按一般構(gòu)造普通橫隔板的位置復(fù)制橫隔板單元，并建立組，復(fù)制間距為114000118MIDAS板單元建模用相同的方法建立半高加勁肋、端橫隔板、腹板豎向加勁肋的模型。119MIDAS板單元建模在普通斷面模型中進行合并數(shù)據(jù)文件的操作。120MIDAS板單元建模使用相同的方法將其余部分合并進來。121MIDAS板單元建模定義荷載122MIDAS板單元建模定義荷載123MIDAS板單元建模定義邊界條件為了避免支座位置處應(yīng)力

22、集中，在支座位置將板單元擴展出實體單元建立支座。MIDAS板單元建模定義移動荷載為了橋面在移動荷載輪跡下產(chǎn)生應(yīng)力集中干擾結(jié)果，在橋面上模擬一層鋪裝來分散車輪荷載，鋪裝采用實體單元，材料彈模取小值。車道面只能在板單元上定義，所以再實體單元上方還應(yīng)再建立一層板單元，這層板單元應(yīng)該用同實體單元相同的材料。這層板單元可以由橋面板直接復(fù)制過去，然后改變材料類型，也可以手動建立。這層板單元的多少直接影響計算得快慢，建議手動建立，手動建立時應(yīng)注意技巧。124125MIDAS板單元建模定義移動荷載126MIDAS板單元建模定義移動荷載127MIDAS板單元建模定義移動荷載128MIDAS板單元建模定義移動荷載

23、129MIDAS板單元建模模型檢查130MIDAS板單元建模模型檢查131MIDAS板單元建模板單元模型無法完美的按梁單元的方法添加溫度梯度作用，只能通過節(jié)點溫度的方法近似模擬。本模型未在距頂板100/400mm位置處預(yù)留節(jié)點（大家也可以在建模的時候預(yù)留出這些節(jié)點，方便后期添加節(jié)點溫度來模擬溫度梯度），僅在200mm處有一排節(jié)點。頂板施加節(jié)點溫度14和-7，200mm處施加節(jié)點溫度3.66和-1.833。頂板及頂板加勁肋在節(jié)點溫度模擬下的溫度梯度應(yīng)力為23.9MPa，與梁單元溫度梯度結(jié)果較為接近。132MIDAS板單元建模底板及底板加勁肋在節(jié)點溫度模擬下的溫度梯度應(yīng)力為7.2MPa，與梁單元溫度梯度結(jié)果