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桁架組合梁有限元分析及設計參數

發(fā)布于:2024-04-02 20:31
有限元分析

      空間鋼管桁架結構外形簡(jiǎn)潔、流暢、美觀(guān),跨越能力大,被廣泛應用于體育館、航站樓等大型公共場(chǎng)所,而由空間鋼管桁架與混凝土翼緣板通過(guò)各種接觸而形成的組合桁架梁也正被廣泛應用在橋梁結構中。相對于傳統箱梁橋而言,空間鋼管桁架代替了其腹板和底板,桁架上弦桿通過(guò)剪力連接件把鋼桁架和混凝土翼板連接起來(lái),形成組合結構體系橋梁。與普通鋼-混凝土組合梁橋相比,空間鋼管桁架組合梁橋更具有承載能力高,抗彎剛度、穩定性和整體性好,且結構輕盈、施工簡(jiǎn)便、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。
      空間“倒三角形”圓鋼管桁架混凝土組合梁橋是一種新型橋梁結構形式,其橫向是由兩片共用同一下弦桿件的傾斜桁架,通過(guò)2根上弦桿件上焊接的連接件與混凝土翼板連接而成,腹桿布置采用Warren桁架結構形式,上、下弦和腹桿桿件皆采用圓形鋼管。梁端支點(diǎn)采用“Y”形三點(diǎn)支撐,如圖所示。
      通常為了解新型結構的力學(xué)特性,往往會(huì )通過(guò)試驗和計算加以驗證,同樣也可采用可靠的數學(xué)分析模型,對其結構性能進(jìn)行有限元分析,這既能達到研究的目的,又可節省研究或開(kāi)發(fā)費用。該文結合一榀空間倒三角形桁架組合梁模型的加載試驗,通過(guò)采用非線(xiàn)性有限元軟件Abaqus建立有限元模型,對結構在加載荷載作用下的受力性能進(jìn)行分析,并探討不同設計參數對其極限承載力性能的影響規律。
      空間倒三角形管桁架組合模型梁總長(cháng)度為3000 mm,計算跨徑為2640 mm,管桁架上弦桿與下弦桿軸心高度為350 mm,兩上弦桿軸心寬度為500 mm,混凝土板寬1200 mm,板厚100 mm。試件結構尺寸及支撐情況如圖所示。上、下弦桿采用Q345B級鋼,腹桿和拉桿采用Q235B級鋼,上弦桿為76 mmx4 mm,下弦桿為108 mmx4 mm,腹桿為48 mmx3 mm,拉桿為33 mmx3 mm。各桿件采用E43型焊條進(jìn)行焊接連接。翼緣板混凝土設計強度為C40,混凝土板采用雙層配筋,橫向鋼筋,縱向鋼筋。采用開(kāi)孔板連接件,開(kāi)孔板尺寸為3000 mm×30 mm×3 mm,開(kāi)孔直徑為10 mm,開(kāi)孔間距為100 mm。為了防止加載試驗時(shí)支承處弦管局部發(fā)生壓陷和腹桿壓屈,在鋼管桁架支撐處的弦桿和腹桿內灌注C25混凝土。
      在試驗梁計算跨徑三分點(diǎn)處,采用四點(diǎn)對稱(chēng)加載。
      材料性能測試結果:混凝土軸心抗壓強度標準值為33.3 MPa,彈性模量為3.48×e4 MPa。上弦桿屈服強度為479 MPa、彈性模量為2.01×e5 MPa,下弦桿屈服強度為501 MPa、彈性模量為2.06×e5 MPa,腹桿屈服強度為393 MPa、彈性模量為1.88×e5 MPa,拉桿屈服強度為421 MPa、彈性模量為1.96×e5 MPa。
      有限元分析模型的尺寸參數、加載方式、加載點(diǎn)材料參數等皆與試驗梁相同。建模時(shí)混凝土本構關(guān)系采用塑性損傷模型,鋼材本構關(guān)系采用雙折線(xiàn)模型。
      在整體空間有限元模型中,組合桁架梁的混凝土翼緣板采用實(shí)體單元Solid模擬,混凝土板中普通鋼筋采用線(xiàn)單元Wire模擬;鋼桁架上、下弦桿和腹桿均采用殼單元Shell模擬,混凝土翼緣板與上弦桿的連接采用Tie(綁定約束)模擬,運用Abaqus有限元軟件計算。模型坐標原點(diǎn)位于組合梁左端下弦桿位置,以X方向為組合梁的縱向方向,Y方向為組合梁的豎向方向,Z方向為組合梁的橫向方向。在組合梁一端約束X、Y和Z共3個(gè)方向的位移為0,而另一端約束Y和Z兩個(gè)方向的位移為0。求解過(guò)程考慮幾何非線(xiàn)性和材料非線(xiàn)性,采用位移加載的方式施加荷載,利用Amplitudes建立加載規律。


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