跨度468m公路正交异性板桥面简支钢梁桥ANSYS板单元模型计算分析.docx
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跨度468m公路正交异性板桥面简支钢梁桥ANSYS板单元模型计算分析
跨度46.8m公路正交异性板桥面简支钢梁桥
（ANSYS板单元模型计算分析）
20年月
目录
第1章计算资料1
1.1计算内容1
1.2设计要求1
第2章桥面板单元模型建立2
2.1结构计算模型2
2.2结构边界条件5
2.3构件截面尺寸6
2.4结构计算模型参数汇总6
第3章横载作用下的应力及竖向变形8
3.1顶板的应力和竖向变形8
3.2U肋的应力及竖向变形10
3.3横梁腹板的应力和竖向变形12
3.4横梁翼缘的应力和竖向变形14
3.5主梁腹板的应力和竖向变形16
3.6主梁翼缘的应力和竖向变形18
第4章恒载和跨中最不利活载作用下的应力及变形20
4.1车辆荷载20
4.2顶板的应力和竖向变形22
4.3U肋的应力和竖向变形25
4.4横梁腹板的应力和竖向变形29
4.5横梁翼缘的应力和竖向变形34
4.6主梁腹板的应力和竖向变形37
4.7主梁翼缘的应力和竖向变形40
第5章荷载组合作用下的结构应力44
5.1概述44
5.2计算工况44
5.3U肋最大拉应力45
5.4U肋最大压应力47
5.5顶板最大压应力49
5.6顶板最大拉应力50
5.7端横梁最大拉应力和剪应力51
5.8端横梁最大压应力54
5.9跨中横梁最大拉应力55
5.10跨中横梁最大压应力57
5.11主梁下翼缘最大拉应力59
5.12主梁腹板最大剪应力61
第6章设计总结63
6.1恒载作用下全桥各构件内力汇总63
6.2恒载和跨中最不利活载作用下全桥各构件内力汇总63
6.3恒载和车辆荷载作用下最不利内力汇总64
6.4结构验算64
6.5总结64
第1章计算资料
1.1计算内容
1、跨度L=46.8m，横梁间距Lb=4.68m,桥面宽度B=19.5m（车道和双侧2.0m宽人行道）；
2、可暂不考虑纵坡和横坡；行车道、人行道、栏杆、分隔带等的恒载暂统一按照全宽70mm沥青混凝土铺装加载（铺装建议做成实体单元）；
3、车辆活载等级采用公路I级荷载；
4、行车道活载采用车辆荷载，特别注意横向布置、横向折减、车轮着地面积、冲击系数1.3，人群荷载取3.0Kn/m2;
5、桥梁主体结构采用Q345D钢材；
6、采用规范：
《公路桥涵设计通用规范（JTGD60-2004）》、《公路桥涵钢结构及木结构设计规范（JTG025-85）》。
1.2设计要求
1、完成全桥建模；
2、计算恒载作用下的挠度、桥面板、U肋、主梁、横梁的纵向正应力、横向正应力、最小主应力、最大主应力和换算应力（图示和数值说明，下同）；
3、计算恒载和跨中最不利活载作用下的挠度、桥面板、U肋、主梁、横梁的纵向正应力、横向正应力、最小主应力、最大主应力和换算应力（图示和数值说明，下同）；
4、计算恒载和计算车辆荷载作用下的桥面板、U肋、主梁、横梁的最不利应力；
5、验算全桥的挠度和桥面板、U肋、主梁、横梁的最不利应力，必要时调整梁高和板厚。
第2章桥面板单元模型建立
2.1结构计算模型
全桥用ANSYS10.0软件建模，采用空间板单元shell63与实体单元solid45组合进行建模。
具体建模时考虑如下：
1桥梁中央分割带和人行道的具体重量和作用位置未予具体考虑，行车道、人行道、分隔带等桥面结构统一考虑成全桥宽70mm厚的沥青混凝土铺装；
2沥青混凝土桥面铺装建立成实体单元。
沥青混凝土的容重为24.0kN/m。
由于不考虑桥面沥青混凝土板对桥梁刚度的贡献，取沥青混凝土的弹性模量为2100MPa；
3钢板梁的顶板，U型加劲肋，横梁，主梁等均采用板单元建模，不采用自由划分网格，而是采用人工控制网格划分，其中人工控制划分又以控制线的划分尺寸为最高级别控制。
钢材的容重取为78.5kN/m3，弹性模量取为210000MPa。
4采用无质量的长方体来传递轮胎的轴重；
5在支座处用实体单元模拟支座垫板，全桥模型的支撑体系按简支梁施加为点约束。
建立的几何模型图21所示。
图21全桥计算几何模型
网格划分采用自由划分网格和人工控制划分网格相结合的方式，其中人工控制划分又以控制线的划分尺寸为最高级别控制。
划分网格后的有限元模型如图22所示。
a）划分后的顶板模型
b）划分网格后的U肋模型
c）划分网格后的横梁模型
d）划分网格后的主梁模型
e）划分网格后的计算模型
图22划分网格后的计算模型
2.2结构边界条件
桥梁支撑处约束关键点的位置如图23所示（即垫板下面中间的关键点）。
图23约束关键点位置
结构边界条件施加情况下如图24所示。
图24边界条件
2.3构件截面尺寸
全桥构件截面尺寸如表21所示。
表21构件截面尺寸（单位：
m）
构件
B
H
T
顶板
19.5
--
0.014
U型加劲肋
-
--
0.008
横梁腹板
-
1.5
0.012
横梁翼缘
0.3
--
0.012
主梁腹板
-
3
0.026
主梁翼缘
0.15
--
0.046
沥青混凝土铺装
19.5
41
0.07
2.4结构计算模型参数汇总
全桥计算模型参数汇总如表22所示。
表22计算模型参数汇总
构件
单元
厚度（m）
弹性模型（MPa）
容重（kN/m3）
顶板
shell63
0.014
210000
78.5
U型加劲肋
shell63
0.008
210000
78.5
横梁腹板
shell63
0.012
210000
78.5
横梁翼缘
shell63
0.012
210000
78.5
主梁腹板
shell63
0.025
210000
78.5
主梁翼缘
shell63
0.045
210000
78.5
支座垫板
solid45
0.200
210000
78.5
沥青混凝土铺装
solid45
0.070
2100
24
第3章横载作用下的应力及竖向变形
结构恒载包括结构的自重与二期恒载。
二期恒载包括桥面铺装和人行道的重量，考虑为桥面70mm等厚的沥青混凝土铺装来计算。
3.1顶板的应力和竖向变形
恒载作用下顶板的纵向应力如下图31所示。
图31恒载作用下顶板的纵向应力（最大压应力为41.551MPa）
恒载作用下顶板的横向应力如下图32所示。
图32横载作用下顶板的横向应力（最大横向应力39.952MPa）
恒载作用下顶板的vonMises应力如下图33所示。
图33恒载作用下顶板的vonMises应力（最大vonMises应力为43.429MPa）
恒载作用下顶板的竖向变形如图34所示。
图34恒载作用下顶板的竖向变形（最大竖向变形为0.048m）
3.2U肋的应力及竖向变形
恒载作用下U肋的纵向应力如下图35所示。
图35恒载作用下U肋的纵向应力（最大压应力为29.021MPa）
恒载作用下U肋的横向应力如下图36所示。
图36恒载作用下U肋的横向应力（最大拉应力为17.326MPa）
恒载作用下U肋的vonMises应力如下图37所示。
图37恒载作用下U肋的vonMises应力（最大vonMises应力29.834MPa）
恒载作用下U肋的竖向变形如图38所示。
图38恒载作用下U肋的竖向变形（最大竖向变形为0.048m）
3.3横梁腹板的应力和竖向变形
恒载作用下横梁腹板的横向应力如图39所示。
图39恒载作用下横梁腹板的横向应力（最大压应力为27.024MPa）
恒载作用下横梁腹板的剪应力如图310所示。
图310恒载作用下横梁腹板的剪应力（最大剪应力为-9.401MPa）
恒载作用下横梁腹板的vonMises应力如图311所示。
图311恒载作用下横梁腹板的vonMises应力（最大vonMises应力为24.573MPa）
恒载作用下横梁腹板的竖向变形如图312所示。
图312恒载作用下横梁腹板的竖向变形（最大竖向变形为0.048）
3.4横梁翼缘的应力和竖向变形
恒载作用下横梁翼缘的横向应力如图313所示。
图313恒载作用下横梁翼缘的横向应力（最大横向应力为39.276MPa）
恒载作用下横梁翼缘的vonMises应力如图314所示。
图314恒载作用下横梁翼缘的vonMises应力（最大vonMises应力为52.335MPa）
恒载作用下横梁翼缘的竖向变形如图315所示。
图315恒载作用下横梁翼缘的竖向变形（最大竖向变形为0.048m）
3.5主梁腹板的应力和竖向变形
恒载作用下主梁腹板的纵向应力如图316所示。
图316恒载作用下主梁腹板的纵向应力（最大拉应力为97.921MPa）
恒载作用下主梁腹板的剪应力如图317所示。
图317恒载作用下主梁腹板的剪应力（最大剪应力为30.267MPa）
恒载作用下主梁腹板vonMises应力图318所示。
图318恒载作用下主梁腹板vonMises应力（最大vonMises应力为110.669MPa）
恒载作用下主梁腹板的竖向变形如图319所示。
图319恒载作用下主梁腹板的竖向变形（最大竖向变形为0.048m）
3.6主梁翼缘的应力和竖向变形
恒载作用下主梁腹板的纵向应力如图320所示。
图320主梁腹板的纵向应力（最大拉应力为98.883MPa）
恒载作用下主梁腹板的vonMises应力如图321所示。
图321恒载作用下主梁腹板的vonMises应力（最大vonMises应力为98.947MPa）
恒载作用下主梁腹板的竖向变形如图322所示。
图322恒载作用下主梁腹板的竖向变形（最大竖向变形为0.048m）
第4章恒载和跨中最不利活载作用下的应力及变形
4.1车辆荷载
钢板简支梁桥跨径为46.8m,桥面宽19.5m,两侧人行道各2.0m,中央分割带宽0.5m。
按照计算要求，两侧分别布置一个行车道，根据《公路桥涵设计通用规范（JTGD60-2004）》4.3来确定车辆荷载横向和纵向的加载位置。
图41和图42为规范规定的车辆荷载横向和纵向布置原则。
图41车辆荷载的立面、平面尺寸（单位：
m）
图42车辆荷载的横向布置（单位：
m）
车辆的轴重按均布压力荷载加载在相应的位置，根据《公路桥涵设计通用规范》JTGD60-20044.3计算车辆前轴、中轴和后轴的压力荷载。
分别为：
本计算采用单向四车道，根据《公路桥涵设计通用规范》JTGD60-20044.3.7，应考虑横向折减，查《公路桥涵设计通用规范》JTGD60-20044表4.3.1-4可知折减系数应取0.67.
根据《公路桥涵设计通用规范》JTGD60-20044.3.2，钢桥应考虑汽车冲击力，本设计取冲击力系数为1.3.
故车辆前轴、中轴、后轴的压力荷载应在原有的数值的基础上乘以折减系数和冲击系数，压力值为：
活载布置如图43所示。
图43活载布置图
4.2顶板的应力和竖向变形
顶板的应力和竖向变形如图44至图411所示。
图44活载作用下顶板的纵向应力（最大应力为70.118MPa）
图45荷载组合作用下顶板的纵向应力（最大应力为111.693MPa）
图46活载作用下顶板的横向应力（最大压应力为42.354MPa）
图47荷载组合作用下顶板的横向应力（最大压应力为71.941MPa）
图48活载作用下顶板vonMise应力（最大vonMises应力为53.437MPa）
图49荷载组合作用下顶板的vonMises应力（最大vonMises应力为104.579MPa）
图410活载作用下顶板的竖向变形（最大竖向变形为0.043m）
图411荷载组合作用下顶板的竖向变形（最大竖向变形为0.089m）
4.3U肋的应力和竖向变形
U肋的应力和竖向变形如图412至图419所示。
图412活载作用下的U肋的纵向应力（最大压应力为56.330MPa）
图413荷载组合作用下的U肋的纵向应力（最大纵向压应力为78.095MPa）
图414活载作用下的U肋的横向应力（最大压应力为35.527MPa）
图415荷载组合作用下的U肋的横向应力（最大拉应力为38.480MPa）
图416活载作用下的U肋的vonMises应力（最大vonMises为64.076MPa）
图417荷载组合作用下的U肋的vonMises应力（最大vonMises应力为93.933MPa）
图418活载作用下的U肋的竖向变形（最大竖向变形为0.043m）
图419荷载组合作用下的U肋的竖向变形（最大竖向变形为0.089m）
4.4横梁腹板的应力和竖向变形
横梁腹板的应力和竖向变形如图420至图427。
图420活载作用下横梁腹板的横梁应力（最大压应力为38.623MPa）
图421荷载组合作用下横梁腹板的横向应力（最大压应力为65.329MPa）
图422活载作用下横梁腹板的剪应力（最大剪应力为27.802MPa）
图423荷载组合作用下横梁腹板的剪应力（最大剪应力为35.703MPa）
图424活载作用下横梁腹板的vonMises应力（最大vonMises应力为55.264MPa）
图425荷载组合作用下横梁腹板的vonMises应力（最大vonMises应力为75.342MPa）
图426活载作用下横梁腹板的竖向变形（最大竖向变形0.042m）
图427荷载组合作用下横梁腹板的竖向变形（最大竖向变形为0.088mm）
4.5横梁翼缘的应力和竖向变形
横梁翼缘的应力和竖向变形如图428至图433所示。
图428活载作用下横梁翼缘的横向应力（最大压应力为63.376MPa）
图429荷载组合作用下横梁翼缘的横向应力（最大压应力为102.103MPa）
图430活载作用下横梁翼缘的vonMises应力（最大vonMises应力为71.027MPa）
图431荷载组合作用下横梁翼缘的vonMises应力（最大vonMises应力为121.939MPa）
图432活载作用下横梁翼缘的竖向变形（最大竖向变形为0.042m）
图433荷载组合作用下横梁翼缘的竖向变形（最大竖向变形0.088m）
4.6主梁腹板的应力和竖向变形
主梁腹板的应力和竖向变形如图434至图441所示。
图434活载作用下主梁腹板的纵向应力（最大拉应力为92.877MPa）
图435荷载组合作用下主梁腹板的纵向应力（最大拉应力为188.536MPa）
图436活载作用下主梁腹板的剪应力（最大剪应力为20.894MPa）
图437荷载组合作用下主梁腹板的剪应力（最大剪应力为50.482MPa）
图438活载作用下主梁腹板的vonMises应力（最大vonMises应力为92.948MPa）
图439荷载组合作用下主梁腹板的vonMises应力（最大vonMises应力为188.587MPa）
图440活载作用下主梁腹板的竖向变形（最大竖向变形为0.041m）
图441荷载组合作用下主梁腹板的竖向变形（最大竖向变形为0.087m）
4.7主梁翼缘的应力和竖向变形
主梁翼缘的应力和竖向变形如图442至图447所示。
图442活载作用下主梁翼缘的纵向应力（最大拉应力为94.537MPa）
图443荷载组合作用下主梁翼缘的纵向应力（最大拉应力为191.067MPa）
图444活载作用下主梁翼缘的vonMises应力（最大vonMises应力为94.532MPa）
图445荷载组合作用下主梁翼缘的vonMises应力（最大vonMises应力为191.063MPa）
图446活载作用下主梁翼缘的竖向变形（最大竖向变形为0.040m）
图447荷载组合作用下主梁腹板的竖向变形（最大竖向变形为0.085m）
第5章荷载组合作用下的结构应力
5.1概述
我国公路钢桥设计主要采用容许应力法。
容许应力法设计以弹性设计理论为基础，设计准则是：
式中：
—结构标准荷载的计算应力，不考虑荷载组合系数（即所有荷载组合系数均是1.0）；
—设计规范规定的允许应力，对于钢桥为fy/1.7；
fy—钢材的屈服强度，1.7为综合安全系数；
对Q345D，未考虑板厚的影响和受压板件局部稳定的影响时，钢材的允许应力如表51所示。
表51未考虑板厚及局部稳定影响时的钢材允许应力
钢材种类
轴向应力（MPa）
弯曲应力（MPa）
剪应力（MPa）
Q345D
200
210
120
表51所示的钢材容许应力是在fy=340MPa的情况下确定的。
当板厚时，应该根据钢材的实际屈服强度对其进行修正。
表52考虑板厚影响时的钢材实际屈服强度
屈服强度（MPa）
Q345D
345
325
315
305
5.2计算工况
车辆荷载的位置应根据所求最不利项进行布置。
本设计要求计算顶板最大拉应力、顶板最大压应力、U肋最大拉应力、U肋最大压应力、端横梁的最大拉应力和剪应力、端横梁的最大压应力、跨中横梁的最大拉应力、跨中横梁的最大压应力、主梁下翼缘最大拉应力和主梁腹板最大剪应力，分别采用以下十种加载工况进行计算，详细情况如表53所示。
表53车辆荷载纵向加载位置
工况名称
车辆荷载轮胎位置
所有最不利项
X1（m）
X2（m）
Y1（m）
工况一
3.3
1.05
2.5
U肋最大拉应力
工况二
3.3
1.05
19.1
U肋最大压应力
工况三
1.8
1.05
21.6
顶板最大压应力
工况四
1.8
2.55
0
顶板最大拉应力
工况五
3.3
1.05
0.5
端横梁的最大拉应力和剪应力
工况六
1.65
0.55
0.5
端横梁的最大压应力
工况七
3.3
1.05
23.4
跨中横梁的最大拉应力
工况八
1.65
1.05
23.4
跨中横梁的最大压应力
工况九
1.8
2.55
20.5
主梁下翼缘最大拉应力
工况十
3.3
1.05
2.2
主梁腹板最大剪应力
表53中，确定纵向位置的参数x1,x2,y1含义如图51所示。
图51车辆荷载的纵向布置位置示意图（单位：
m）
5.3U肋最大拉应力
轮胎位置如图52所示。
图52轮胎位置
活载作用下U肋纵向最大拉应力如图53所示。
图53活载作用下U肋纵向最大拉应力（最大拉应力为54.537MPa）
荷载组合作用下U肋纵向最大拉应力如图54所示。
图54荷载组合作用下U肋纵向最大拉应力（最大拉应力为63.841MPa）
5.4U肋最大压应力
轮胎位置如图55所示。
图55轮胎位置
活载作用下U肋纵向最大压应力如图56所示。
图56活载作用下U肋纵向最大压应力（最大压应力为-59.834MPa）
荷载组合作用下U肋纵向最大压应力如图57所示。
图57荷载组合作用下U肋纵向最大压应力（最大压应力为82.883MPa）
5.5顶板最大压应力
轮胎位置如图58所示。
图58轮胎位置
活载作用下顶板纵向最大压应力如
图59活载作用下顶板纵向最大压应力（最大压应力为61.227MPa）
荷载组合作用下顶板最大纵向拉应力如图510所示。
图510荷载组合作用下顶板纵向最大拉应力（最大压应力为102.278MPa）
5.6顶板最大拉应力
轮胎位置如图511所示。
图511轮胎位置
活载作用下顶板纵向最大拉应力如图512所示。
图512活载作用下顶板纵向最大拉应力（最大拉应力为25.893MPa）
荷载组合作用下顶板纵向最大拉应力如图513所示。
图513荷载组合作用下顶板纵向最大拉应力（最大拉应力为37.353MPa）
5.7端横梁最大拉应力和剪应力
轮胎位置如图514所示。
图514轮胎位置
活载作用下端横梁腹板最大拉应力如图515所示。
图515活载作用下端横梁腹板最大拉应力（最大拉应为为39.559MPa）
荷载组合作用下端横梁腹板最大拉应力如图516所示。
图516荷载组合作用端横梁腹板最大拉应力（最大拉应力为41.654MPa）
活载作用下端横梁腹板最大剪应力如图517所示。
图517活载作用下端横梁腹板最大剪应力（最大剪应力为30.792MPa）
荷载组合作用下端横梁腹板最大剪应力如图518所示。
图518荷载组合作用下端横梁腹板最大剪应力（最大剪应力为37.602MPa）
5.8端横梁最大压应力
轮胎位置如图519所示。
图519轮胎位置
活载作用下端横梁腹板最大压应力如图520所示。
图520活载作用下端横梁腹板最大压应力（最大拉应力为40.33MPa）
荷载组合作用下端横梁腹板最大压应力如图521所示。
图521荷载组合作用下端横梁腹板最大压应力（最大拉应力为53.166MPa）
5.9跨中横梁最大拉应力
轮胎位置如图522所示。
图522轮胎位置
活载作用下跨中横梁腹板最大拉应力如图523所示。
图523活载作用下跨中横梁腹板最大拉应力（最大拉应力为32.506MPa）
荷载组合作用下跨中横梁腹板最大拉应力如图524所示。
图524荷载组合作用下跨中横梁腹板最大拉应力（最大拉应力为47.755MPa）
5.10跨中横梁最大压应力
轮胎位置如图525所示。
图525轮胎位置
活载作用下跨中横梁腹板最大压应力如图526所示。
图526活载作用下跨中横梁腹板最大压应力（最大压应力为51.535MPa）
荷载组合作用下跨中横梁腹板最大压应力如图527所示。
图527荷载组合作用下跨中横梁腹板最大压应力（最大压应力为78.359MPa）
活载作用下跨中横梁下翼缘最大压应力如图528所示。
图528活载作用下
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