三跨变截面薄壁钢箱梁有限元分析

第ｌＯ期　北　方　交　通　－５ｌ－　
三跨变截面薄壁钢箱粱有限元分析　
孙铁钢房雅萍　（广州大学土木工程学院，广州）　卢彭真　
（西南交通大学，成都６１００３１）　

摘　要　薄壁箱梁受力复杂，为较好把握薄壁连续箱梁的受力行为，基于ＳＡＰ２０００对某　
三跨变截面连续薄壁箱梁进行有限元分析，分析结果表明支座移动对结构产生较大的内力，建　
议连续梁设计时在引起支座移动截面处设置铰来减小该处产生的内力。　
关键词连续薄壁箱梁　内力分析ＳＡＰ２０００　

１前言　
某三跨变截面连续箱梁，跨径为５ｍ＋１０ｍ＋　
５ｍ，计算简图见图１所示，现承受了ｑ＝１０ｋＮ／ｍ的　
均布荷载、温度改变ｔ＝３０度的作用以及支座移动　０．０２ｍ引起的荷载，箱梁材料的弹性模量Ｅ＝２．１×　１０。ｋＮ／ｍ　，截面形状为箱型，见图２所示，热膨胀系　ｒ　ｔ２＝３０。　ｑ＝ｌ…ＯＫＮ．．／ｍ　０　ｍ　数ａ＝１．０×１０～。由于变截面薄壁箱梁结构受力　相对比较复杂，为较好把握该结构的受力特点，现基　于通用有限元程序ＳＡＰ２０００对该结构进行内力分　析，现把该结构计算模型的简化、有限元模型的建立　
以及求解做一介绍。　

连续粱整体图　
Ｌ　叫ｎ—＿Ｊ　
（ａ）Ａ截面断面　（ｂ）Ｂ截面断面　

图２箱粱断面图　
２有限元模型的建立　
有限元模型的建立是通过几何模型的建立，在　
几何模型的基础上根据结构的特点进行几何模型的　
单元划分，从而建立与几何模型相应的有限元模型。　
根据该结构的特点，采用杆系结构对该结构进行几　
何模型简化得到相应的计算几何模型，几何模型建　
立以后就可以根据几何模型的尺寸进行单元的划　
分，该结构共划分了４Ｏ个梁单元。变截面薄壁箱梁　
整体杆系结构有限元模型见图３所示。　

图３变截面薄壁箱梁的有限元模型　
３外部条件的引入　

３．１荷载的施加　
该结构荷载总共有三种荷载，均布力、温度引起　
的内力以及支座移动引起的荷载。均布荷载的引入　
可以直接通过软件指定中的框架，通过其中的分布　
荷载的定义进行施加。温度荷载的施加是其中的温　
度梯度的选项进行施加。在温度施加过程中要注　
意，若温度梯度的增加率方向与单元局部坐标的２　
轴方向一致，则输入正值，反之为负。位移移动通过　
支座移动选项实现。　
３．２约束的引入　

图］　引　斟　．　
１　—剧目　ｊ　
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・
５２・　北　方　交　通　
该结构约束条件是一个固定铰支座其余采用活　
动铰支座，固定铰支座设置在梁的左端。结构约束　的施加在梁的节点上，是通过节点约束选项进行施　加完成。　４静力分析结果　该结构内力分析包括三方面的内容，其一是均　布荷载；其二是温度变化引起的荷载；其三是支座移　动作用引起的荷载。　４．１均布荷栽内力分析　变截面连续梁在均布荷载作用下相对等截面梁　
受力更加合理，受力相对比铰均匀。本文结构均布　
荷载采用ｑ＝１０ｋＮ／ｍ，直接作用在箱梁上，其产生　
的弯矩见图４所示。从对该结构的均布荷载引起的　
弯矩图可以看出，最大负弯矩是在截面Ｂ、Ｃ上。其　
计算值为８９．２４ｋＮ．ｍ，最大正弯矩在跨中截面上。　
最大值为３５．７５ｋＮ．ｍ。　
ｊ　
—　—　一一．　

图４均布荷载弯矩　
４．２温度引起的内力　
单元两侧的温度是按温度梯度来实现的，温度　
梯度就是单位高度温度的变化即Ａｔ／ｈ，因此由于　
Ａｔ＝３０。一２５。＝５。，梁高为ｈ＝Ｏ．４ｍ（０．８ｍ），则单　
位梁高温度的变化率为Ａｔ／ｈ＝５。／０．４（０．８）＝１２．　

５。（６．２５。）／ｍ。则温度引起取温度梯度的平均值，　
温度引起梁的弯矩见图５所示。从温度效应来看，　
中跨梁的内力较大，其值为１８．８６ｋＮ．ｍ。左右两支　
座处为零，两边跨成线性分布。　

图５温度荷载弯矩　
４。３　支座移动引起的荷栽　

连续梁是超静定结构，故当结构移动时在结构　
的内部产生附加的内力，如把握不好时常造成对结　
构的破坏，本文支座移动引起的荷载通过软件中支　座移动选项来实现的，支座移动引起梁的弯矩见图　６所示。从图中可以看出，支座移动在变截面梁中　引起最大的弯矩在Ｂ截面处，产生的负弯矩为２２１．　６９ｋＮ．ｍ，最大正弯矩在Ｃ截面，产生的正弯矩为　３１３．６８ｋＮ．ｍ。而支座移动在等截面中引起最大的　弯矩在跨中支座截面处，产生的负弯矩为５１．０５ｋＮ．　ｍ，产生的正弯矩为８５．４ｌｋＮ．ｍ。从而可以看出，变　截面梁在支座移动的过程中产生较大的内力，因此　在利用变截面梁受力合理的优点时，应注意其不利　的方面，从而能够对其不利的结构设置进行改进。　一　图６支座移动荷载弯矩　５　变截面梁支座移动产生较大内力的处理　从对变截面梁支座移动引起荷载的分析中可以　看出，支座移动在变截面连续梁中产生较大的内力，　同比等截面梁正弯矩增大４．３倍，负弯矩增大３．８　
倍。因此在基础不好的地方设置变截面连续梁时，　
应注意基础的移动造成结构中产生很大的内力，导　
致结构的破坏，从而应对该结构进行处理，来减少结　
构的内力产生。由于支座移动引起很大内力，则在　
支座Ｂ、Ｃ截面处把连续的梁设置成铰，可以把该处　
很大的弯矩减少到零，起到减少内力的方法。现在　
截面Ｃ处设置铰，其计算结果见图７所示。从图中　
可以看出，在截面Ｃ处设置铰后，最大的负弯矩在Ｂ　
截面上，最大值为１３２．８６ｋＮ．ｍ，最大正弯矩在靠近　
Ｃ截面的中跨部分，最大值为６７．１１ｋＮ．ｍ。则与没　
有设置铰时产生的最大正负弯矩相比，负弯矩减少　
了４０％，正弯矩减少了８０％。这样大大地提高了梁　
的承载能力和跨度。对结构的设计起到了优化的作　
用。　

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图７梁设铰后支座移动引起的弯矩　
６动力分析　７结语　

为了把握该结构的受力行为以及有限元模型模　通过对该变截面梁的三种工况的分析可以得出　
拟的准确性，同时对该结构进行了动力模态进行分　以下结论：　．　
析，前两阶振型见图８所示。从动力特性的分析结　（１）变截面连续梁受力相对等截面连续梁均匀　
果可以看出，变截面连续薄壁箱梁的第一阶振型是　合理，特别是跨中截面的内力，起到明显的减少，这　
竖向对称竖弯，频率是２３．５７Ｈｚ，第二阶振型是左右　对于结构的承载能力以及相同荷载下的跨度明显的　
移动，频率是６２．５Ｈｚ。说明了连续薄壁箱梁的刚度　增加。　
较大，承载性能较好的特点。　（２）在支座移动荷载分析中可以看出变截面梁　
／一曲　产生的内力比等截面梁产生的内力大，因此，在结构　
０一　／　设计时，在利用变截面梁有利方面时，应根据结构的　

一
一一
一　
‘　特点及外部荷载情况对结构进行处理来优化结构的　
设计，如在变截面的能引起支座移动的截面处设置　

（。，振型】（对称蛏弯）　．珏　
铰来减少结构总体内力的产生。　

．　
榴’　（３）对变截面连续梁的动力分析时，其基频为　
１．Ｊ　竖弯，相对等截面基频要大点。说明其刚度较好。　
，　
●　
．
－
ｔ潞　

●　
／　

，　（ｂ）振型２（左右移动）　

图８连续薄壁箱梁的振型图　
Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｒｎｅ：、　ｏｆ　Ｔｈｉｎｗａｌｌｅｄ　ａｎｄ　
Ｎｏｎ——ｕｎｉｆｏｒｍ　Ｓｔｅｅｌ　Ｂｏｘ　Ｇｉｒｄｅｒ　ｏｎ　Ｔｈｒｅｅ　Ｓｕｐｐｏｒｔｓ　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｉｎ—ｗａｌｌｅｄ　ｂｏｘ　ｇｉｒｄｅｒ　ｉｓ　ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ　ｉｎ　ｂｅａｔｉｎｇ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｋｅｅｐ　ｗｅｌｌ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　
ｔｈｅ　ｇｉｒｄｅｒ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｐｅｒｆｏｒｍｓ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｉｎ—ｗａｌｌｅｄ　ｎｏｎ—ｕｎｉｆｏｒｍ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｂｏｘ　ｇｉｒｄｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＳＡＰ２０００．Ｔｈｅ　
ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｅｄｅｓｔａｌ　ｍｏｖｉｎｇ　ｃｏｕｌｄ　ｂｒｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｔｏ　ｙｉｅｌｄ　ａ　ｌａｒｇｅ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｆｏｒｃｅ，ｔｈｕｓ　ｍａｋｉｎｇ　
ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ　ｔｈａｔ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｈｉｎｇｅ　ａｔ　ｔｈｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｃａｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｅｄｅｓｔａｌ　ｔｏ　ｍｏｖｅ　ｏｖｅｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｉｒｄｅｒ　ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　
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