摘要：本文依托广东省广州市开放大道工程项目，以东二环-广深跨线桥采用的钢盖梁门架墩为研究对象，首先采用Midas civil软件建立桥梁模型，提取结构在恒载、活载作用下的支反力和盖梁截面内力。然后采用Midas FEA对钢盖梁门架墩进行了系统的应力分析。计算结果表明：钢盖梁的应力分析结果符合规范要求。
关键词：钢盖梁门架墩；应力分析
Local Finite Element Analysis of Steel Cap and Portal Framed Pier
Abstract：Based on the project of open road project in Guangzhou，Guangdong Province，the research object of this paper is the steel cap and portal framed pier used in Guangshen overpass bridge of the East Second ring. Firstly，Midas civil software is used to build the bridge model，and the supporting reaction forces and the internal forces of cap section under the dead load and live load are extracted. Then，stress analysis of steel cap and portal framed pier is carried out by using Midas FEA. The results show that the stress analysis results of steel cap accords with the standards.
Key words：steel cap and portal framed pier；stress analysis
引言
钢盖梁作为桥梁重要的承重构件，可视为一种特殊形式的悬臂钢箱梁，它与墩帽顶通过刚性连接形成刚域，将桥梁上部结构荷载传递给墩柱，是保证桥梁结构稳定与安全的重要部位，因此，对该部分进行有限元分析具有重要意义[1]。
1、工程概况
东二环-广深跨线桥采用了单跨钢盖梁门架墩，钢盖梁跨径为18.3m，盖梁总长度为28.1m，盖梁宽度为2.8m，端部梁高为2.319m，跨中梁高为2.6m，钢盖梁顶部采用双向2%横坡，桥墩采用C40混凝土门架墩，两根墩柱截面均为1.5×2.0m，柱间距为18.3m。柱接承台，承台尺寸为6.8×2.8×2.4m，承台下配两根1.6m钻孔灌注桩。
2、计算模型
2.1 Midas civil模型
本文首先采用Midas civil软件建立钢盖梁门架墩模型，通过Midas计算结果提取有限元分析所需的荷载工况，然后进行有限元分析计算，Midas钢盖梁门架墩模型如图1所示。
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图1 钢盖梁门架墩模型
2.2 FEA模型
本文采用Midas FEA建立钢盖梁门架墩有限元分析模型，模型横向尺寸为盖梁全宽2.8m，纵向尺寸根据圣维南定理[2]截取9.6m梁段（大于2倍梁高），盖梁各位置截面厚度如下表所示：
表1 钢盖梁各位置截面厚度
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本文采用实体单元进行建模，有限元模型如图2所示：
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图2 实体模型图及单元网格划分图
2.3 单元参数
钢盖梁与混凝土桥墩参数分别如下表所示：
表2 钢材材料物理性能表
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表3 钢材材料强度设计值表
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表4 混凝土材料性能表
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3、边界条件与荷载工况
有限元模型边界条件主要有盖梁截面截断处和墩底截面，对墩底采用固定约束，对盖梁截面截断处采用定义边界节点的刚性连接。
本文主要考虑恒载与活载作用，包括上部结构恒荷载、整体升降温、梯度升降温、汽车荷载与风荷载，这些均体现在支反力和盖梁截断面内力中，如图3所示：
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图3 边界条件与荷载施加
具体荷载工况如下表所示
表5 恒载与活载作用下支反力及截断面内力（单位：KN，KN·m）
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4、结果分析
4.1 纵向正应力
恒载、活载作用下钢盖梁纵向正应力分布云图如图4所示，应力单位统一采用MPa即N/mm2。
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图4 纵向正应力分布图
由图4可知，除去在支反力位置及结构角隅处产生小范围应力集中外，纵向正应力水平大体保持在-10～130MPa之间。桥墩左侧盖梁悬臂部分应力值大体在10MPa以内，应力值较小；从左侧悬臂部分到右侧盖梁截断面处，应力绝对值逐渐变大；桥墩右侧盖梁部分应力值较大，且顶板受压，应力值在-100～0MPa之间，底板受拉，应力值在0～100MPa之间，腹板上侧受压，下侧受拉；盖梁截断面位置，腹板与顶、底板相接处，顶、底板加劲肋板与顶、底板相接处，产生应力集中现象，应力值最大约为199MPa，应力值最小约为-177MPa；钢套筒肋板与盖梁底板接触处，也产生了应力集中现象，应力值约为-100MPa。
4.2 横向正应力
恒载、活载作用下钢盖梁横向正应力分布云图如下图所示：
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图5 横向正应力分布图
从图5中可以看出，除去在支反力位置及结构角隅处产生了小范围应力集中外，横向正应力水平大体保持在-60～60MPa之间。桥墩左侧盖梁悬臂部分应力值基本在10MPa以内，应力值较小；从左侧悬臂部分到右侧盖梁截断面处，应力绝对值逐渐变大；桥墩右侧盖梁部分应力值较大，且顶板受压，应力值基本在-100～0MPa之间，底板受拉，应力值基本在0～100MPa之间；盖梁截断面位置，腹板与顶、底板相接处，顶、底板加劲肋板与顶、底板相接处，产生了应力集中现象，应力值最大约为114MPa，应力值最小约为-82MPa；钢套筒肋板与盖梁底板接触位置，也产生了应力集中现象，应力值约为-60MPa。
4.3 最大剪应力
恒载、活载作用下钢盖梁最大剪应力分布云图如下图所示：
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图6 最大剪应力分布图
由最大剪应力云图可知，除去在支反力位置及结构角隅处产生了小范围应力集中外，剪应力值大体保持在0～120MPa之间，桥墩左侧盖梁悬臂部分剪应力值较小；从左侧悬臂部分到右侧盖梁截断面处，剪应力值逐渐变大；桥墩右侧盖梁部分剪应力值在50～90MPa之间，顶板、底板剪应力值在3～70MPa之间；钢盖梁腹板主要承受剪力，桥墩左侧腹板剪应力值较小，桥墩右侧腹板剪应力值在50～120MPa范围内，主桥侧腹板剪应力值大于引桥侧腹板剪应力值；剪应力最大值点位于盖梁底板与钢套筒加劲肋版接触位置，此处产生了应力集中现象，最大剪应力值约为150MPa。
5、结论
桥墩两侧盖梁悬臂部分应力值相对较小，两个桥墩之间的盖梁部分应力值相对较大，主桥侧剪应力值大于引桥侧剪应力值，应合理布置加劲肋板，保证结构稳定安全。
由于应力集中产生的较大应力位置产生在盖梁腹板与顶底板接触处，盖梁顶底板加劲肋板与顶底板相接处，钢套筒加劲肋板与盖梁底板相接处，根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）[3]规定，当Q420钢的厚度在16<t<40mm时，[σt]=320（MPa），可知钢盖梁强度满足设计要求。
参考文献：
[1]孟令强，李运生，王元清. 高架桥钢盖梁的承载性能有限元分析[J]. 石家庄铁道学院学报（自然科学版），2009，22（01）：38-42.
[2]张少实. 新编材料力学[M]. 北京：机械工业出版社，2009.
[3]中华人民共和国交通运输部. JTG D64-2015 公路钢结构桥梁设计规范[S]. 北京：人民交通出版社，2015.
论文作者:田帅
论文发表刊物:《基层建设》2019年第32期
论文发表时间:2020/4/7
标签：应力论文; 底板论文; 桥墩论文; 腹板论文; 荷载论文; 悬臂论文; 所示论文; 《基层建设》2019年第32期论文;