5 10 15 20 25 30 35 40 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 箱形框架桥的平面受力有限元分析 罗杰，王东权** （中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221008） 摘要：本文在实际工程基础上，通过 ANSYS 有限元软件建立框架桥平面模型，并且地基采用 文克勒地基模型，将地基简化成弹簧作用，分析了箱型框架桥在不同高宽比、不同地基模量 两种情况下的受力状态，得出各种因素对框架桥的受力性能影响变化规律，当高宽比太大时， 不利于桥体受力，所以桥的高宽比应小于 1，该工程高宽比取 0.8，地基模量越大，桥体受 力性能越好，所以用水泥土搅拌桩对基础进行加固，本文该框架桥工程设计提供合理的理论 依据。 关键词：箱形框架桥；有限元；高宽比；地基模量 中图分类号：U24 Plane stress of box-frame bridge by finite element analysis Luo Jie, Wang Dongquan (School of Architecture and Civil Engineering of CUMT, JiangSu XuZhou 221008) Abstract: This paper is based on the actual project , We established the plane model of frame bridge through the ANSYS, Winkler foundation model is used in foundation,the foundation is simplified to spring,We analyzed the framework of the bridge`s forces in a different box aspect ratio and elastic modulus of the foundation,and obtain the discipline of Mechanical properties of the bridge framework in different cases,when the aspect ratio is too high,bridge`s force is unreasonable,so the aspect ratio should be less than 1，this project`s aspect ratio is 0.8,When the elastic modulus of the foundation is increased,bridge`s force is reasonable,so the foundation is reinforced by soil cement mixing pile,and this paper provide a reasonable theoretical basis for engineering design. Keywords: box-framed bridge; finite element; aspect ratio; elastic modulus of the foundation 0 引言 近年来，箱型框架桥[1]的应用越来越广泛，作为一种公路下穿式的铁路与公路立交桥， 其主体结构为箱型框架，具有结构整体性好，刚度大，抗变形能力强，基底应力小，适用于 地基承载力低，不均匀沉降大的条件。因此，常用于城市道路或公路与铁路的立交桥梁、矿 区抗采动变形桥梁。 本文结合实际工程，通过 ANSYS 有限元[2]分析了箱型框架桥在不同高宽比、不同地基 模量的两种情况下的受力情况，确定最佳高宽比，分析桥梁受力与地基模量的关系，为桥梁 设计提供了理论依据。 1 工程概况 拟建铁路框架桥位于某矿区，该桥为 4 跨 10m 箱体桥，设计长度为 59m，全桥分五幅。 桥梁主体结构设计为整体现浇钢筋混凝土箱体，下部为素混凝土基础[3]，桥头地基采用水泥 土搅拌桩加固处理[4]。综合考虑河面宽度、水位情况、通行信息及采动沉陷量等，确定桥箱 体结构主要尺寸。为此，该桥设计采用 4 个独立的抗变形箱形结构，每个箱体宽度 10m。 作者简介：罗杰，(1987-)，男，硕士研究生，主要从事桥梁抗变形方面研究 通信联系人：王东权，(1962-)，男，教授，主要从事道路桥梁方面的研究. E-mail: 78686127@qq.com - 1 - 

中国科技论文在线 2 计算参数及计算模型 http://www.paper.edu.cn 为了研究桥梁高宽比和地基模量与桥受力的关系，取其中一个箱体，在宽方向上取单位 长度，建立平面框架结构计算模型，模型长度 12m，框架采用梁单元 Beam188。地基采用 文克勒地基[5]模型，简化成弹簧作用，采用 Combin14 弹簧单元，载荷采用恒载+车辆荷载（均 布）+侧板土体压力，采用 ANSYS 通用有限元程序进行计算。 表1 有限元材料参数 Tab. 1 finite element material parameters 重度( 3 /KN m ) 25 泊松比 0.25 弹性模( Mpa ) 3.15E+04 材料 混凝土( 35C ) 3 计算结果分析 45 50 分 别 取 桥 高 宽 比 为 0.8,0.9,1,1.1,1.2, 地 基 弹 簧 刚 度 取 1×106n/m, 3×106 n/m,5×106 n/m,10×106 n/m, 20×106 n/m。 工况描述：将高宽比从 0.8 到 1.2 分为 5 个工况，土弹簧刚度分为 4 个工况，a-b,a 代表 高宽比，b 代表弹簧刚度。 3.1 不同高宽比的受力结果分析 55 取土的弹簧系数为 1×106n/m，改变桥的高宽比，得到底板、侧板、和顶板的弯距，还 有顶板、侧板的剪力，侧板的轴力，其中底板、侧板弯距取绝对值，得到如下组图： 60 图 1 工况 1-1 弯距图 图 2 工况 1-1 剪力图 Fig. 1 bending moment in conditions 1-1 Fig. 2 shear in conditions 1-1 800 750 700 650 600 550 500 底板跨中弯距 底板边缘弯距 高宽比 图 3 工况 1-1 轴力图 图 4 底板弯距变化图 Fig. 3 axial force in conditions 1-1 Fig. 4 Bottom bending moment diagram 0.8 0.9 1 1.1 1.2 - 2 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 200 150 100 50 0 m N K / 距 弯 中 跨 -50 高宽比 0.8 0.9 1 1.1 1.2 板 侧 -100 -150 600 500 400 300 200 100 0 顶板跨中弯距 顶板边缘弯距 高宽比 0.8 0.9 1 1.1 1.2 图5 侧板弯距变化图 图6 顶板弯距变化图 Fig. 5 side bending moment diagram Fig. 6 soof bending moment diagram 0.8 0.9 1 1.1 1.2 高宽比 N K / 力 轴 大 最 板 侧 -500 -520 -540 -560 -580 -600 -620 -640 -660 -680 -200 700 600 500 400 300 200 100 0 0.8 65 70 75 顶板边缘剪力/kN 底板边缘剪力/KN 高宽比 0.9 1 1.1 1.2 图7 剪力变化图 图8 侧板轴力变化图 Fig. 7 shear diagram Fig. 8 side axial force diagram 底板的弯距随高宽比变化曲线见图 4，如图所示，底板跨中弯距变化不大，保持平稳， 此处为框架桥弯距最大处，高宽比在 1.05 时达到最大，而边缘弯距呈快速增长的趋势，高 宽比达到一定程度时，大小超过跨中弯距，成为框架桥弯距最大处，所以当桥高宽比比较大 时，要注意此处的受力情况。 图 5 为侧板跨中弯据随着高宽比变化的曲线，弯距呈线性增涨方式，特别在高宽比为 1 时，弯距改变了方向，当高宽比较小时，侧板整体外侧受拉，高宽比增大时，跨中部分逐渐 变为受压。 80 图 6 为顶板弯距变化图，与底板不一样的是，顶板弯距变化幅度不大，跨中弯距减小， 边缘弯距增大，且两者随高宽比增大趋于一致，并且小于底板弯距。 图 7 为剪力随高宽比变化曲线，由图可知，顶板边缘剪力不变，底板边缘剪力线性增大， 这与底板边缘弯距增大是一致的，所以当高宽比较大时，要增大此处的承载能力。 85 图 8 为侧板最大轴力随高宽比变化曲线，由图可知，最大轴力随高宽比增大而增大。 表 2 框架桥最大受力情况 Tab. 2 maximum load conditions of the bridge framework 1.1 0.9 1 0.8 底板跨中 （762KNm） 底板边缘 （589KN） 侧板下端 底板跨中 （762KNm） 底板边缘 （612KN） 侧板下端 （-615KN） （-639KN） （-663KN） 1．2 底板边缘 （801KNm） 底板边缘 （636KN） 侧板下端 高宽比 项目 最大弯距位置 （大小） 最大剪力位置 （大小） 最大轴力位置 （大小） 底板跨中 （737KNm） 底板边缘 （542KN） 侧板下端 （-566KN） 底板跨中 （754KNm） 底板边缘 （565KN） 侧板下端 （-590KN） - 3 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 由表 2 可知，高宽比小于 1.1 时，最大弯距位置在底板跨中，大于 1.1 时最大弯距位置 在底板边缘处，而最大剪力一直在底板边缘，最大轴力在侧板下端，说明框架桥受力薄弱点 在底板跨中和左右下角。 3.2 不同地基模量的受力结果分析 90 将高宽比固定为 0.8，变化土的弹簧刚度，得到如下组图： 侧板跨中弯距/KNm 土弹簧刚度n/m 800 700 600 500 400 300 200 100 0 底板跨中弯距/KNm 底板边缘弯距/KNm 顶板跨中弯距/KNm 顶板边缘弯距/KNm 土弹簧刚度n/m 200 150 100 50 0 1.00E+06 95 100 5.00E+06 1.00E+07 3.00E+06 图 9 侧板跨中弯距变化图 图 10 底板顶板弯距变化图 1.00E+06 3.00E+06 5.00E+06 1.00E+07 2.00E+07 2.00E+07 Fig. 9 Fig. bending moments of side span Fig. 10 bending moment of bottom and roof 600 550 500 450 400 350 300 底板边缘剪力/KN 顶板边缘剪力/KN 土弹簧刚度n/m 1.00E+06 3.00E+06 5.00E+06 1.00E+07 2.00E+07 图 11 剪力变化图 Fig. 11 shear diagram 图 9 为桥体弯距随着地基模量增大的变化曲线，如图所示顶板弯距基本保持不变，跨中 弯距大于边缘弯距，而底板弯距随地基模量增大而减小，最后跨中与边缘弯距趋于一致。 图 10 为侧板跨中弯距变化曲线，由图可知，地基模量越大弯距越小。 图 11 为剪力变化图，由图可知，底板边缘剪力减小，这与弯距变化是一致的，而顶板 105 剪力保持不变，由此可知，无论是高宽比还是地基模量对顶板边缘都没有影响。 4 结论 通过数值模拟对框架桥平面受力分析，得出以下结论： (1) 随着高宽比的增大，框架桥的底板弯距，剪力分别增大，而且框架桥的最大剪力和 弯距均出现在底板。 110 (2) 轴力也随着高宽比增大而增大，最大轴力出现在侧板下端。 (3) 随着地基模量的增大，框架桥底板弯距、剪力减小，侧板跨中弯距减小，说明地基 模量越大，桥受力性能越好。 综上所述，高宽比增大不利于框架桥受力，高宽比取值建议取 0.8，高度设计为 8m,由 - 4 - 

115 120 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 于该桥处于采动区，必须采用地基加固处理，提高桥受力性能，建议用水泥土搅拌桩[6]整体 柔性复合地基加固。 [参考文献] (References) [1] 冯卫星,王克丽.地道桥设计与施工[M].石家庄:河北科技出版社,2000 [2] 郝文化.ANSYS 土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2005 [3] TB10002.3-2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S] [4] 张留俊,王福胜,刘建都.高速公路软土地基处理技术[M].北京:人民交通出版社,2002 [5] 龙驭球.弹性地基梁的计算[M],北京;人民教育出版社,1981.6-l0 [6] 范晓江,张卫华,桑明泰.水泥土搅拌桩在软弱地基处理中的应用[J].山西交通科技 2005,10(增刊 2): 97-100 - 5 -