·140· 福 建 建 筑 2023 年
ABAQUS 建立变截面超宽连续钢箱多尺度模型,运用
界面连接约束实现梁单元与实体单元的耦合,在实现
考虑截面空间效应以及局部应力分布的同时,简化建
模以及结果提取过程。 本文的研究,对于变截面超宽
连续钢箱梁理解空间受力特性、提高设计精度、确保
结构安全,具有积极的意义。
1 工程背景
本项目依托的绍兴城际铁路二期工程金柯桥大道
站原设计线路,为双线铁路运营区。 因实际需求,将增
设车站,需要将双线布设增加至四线布设,而原设计的
桥梁宽度难以满足增加线路的要求。 因此,需要原有
多跨简支混凝土 T 梁更换为变截面超宽连续钢箱梁,
变截面钢箱梁跨径布置为 24 m + 32 m + 24 m,在钢梁
梁底部设置六条滑道,采用横向整体顶推法进行施工。
钢箱梁采用单箱三室斜腹板箱形截面(图 1),沿纵桥向
顶板宽由11. 64 m 逐渐变大至18. 25 m,底板宽由5. 98 m
逐渐扩大至 12. 60 m,顶板悬臂宽 2. 33 m,梁高 2. 4 m;
顶、底板厚度分别为19 mm 与 20 mm 桥面设置 2%双向
横坡。 纵桥向每隔3 m 设置空腹式横肋板,隔板开孔,纵
肋连续通过,变截面连续钢箱梁横向顶推如图2 所示。
图 1 箱梁截面布置
图 2 变截面连续钢箱梁横向顶推示意图
2 多尺度建模基本原理
建立多尺度模型的关键,在于跨尺度界面单元的
连接[7]
,如梁单元与实体单元的连接。 基于位移协调
方法,建立了梁单元和实体单元连接的多尺度模型,
实现了梁单元与实体单元的耦合连接。
图 3 为跨尺度界面不同单元节点位移协调,Si ( i
= 1,2,. . . ,n)和 B 分别为实体单元和梁单元节点,M
和 N 分别为弯矩和轴力,α 为 Y 轴方向转角。 在弯矩
和轴力作用下,当梁单元受力变形时,跨尺度界面的
节点位移方程为:
ΔXsi = ΔXB + Rsi
sinα (1)
ΔZsi = ΔZB + Rsi(cosα - 1) (2)
式中:ΔXsi,ΔXB分别为实体单元节点 Si和梁单元节
点 B 的 X 轴向位移;Zsi和 ZB分别为实体单元节点 Si和
梁单元节点 B 的 Z 轴坐标,ΔZsi ,ΔZB分别为实体单元节
点 Si和梁单元节点 B 的 Z 轴向位移;Rsi = Zsi - ZB。
当实体单元受力变形时,跨尺度界面的节点位移
方程为:
tanα =
ΔXsn - ΔXs1
h
(3)
ΔZB =
1
n
∑
n
i = 1
ΔZsi (4)
ΔXB =
1
n
∑
n
i = 1
ΔXsi (5)
式中:h 为实体单元 Z 轴方向高度。 根据上述原
理,在界面上,以大尺度模型上的节点 B 为主节点,小
尺度模型上的 Si节点为从节点,在 B 节点和 Si节点之
间建立一个刚性梁,保证 B 节点与 Si节点之间的位移
协调,推导出界面连接的约束方程,并通过有限元软
件 ABAQUS,实现多尺度模型的建立。
图 3 节点位移协调示意图
3 钢箱梁多尺度模型建立与结果验证
3. 1 有限元模型建立
为了全面比较梁单元模型与多尺度有限元模型
的计算优劣,验证多尺度有限元模型计算中的有效性
以及正确性,针对上文变截面超宽连续钢箱梁,分别
采用 Midas 软件建立梁单元模型、ABAQUS 软件建立
梁单元模型,用实体—梁耦合模型进行分析计算,箱
梁底部采用六条滑道支撑,如图 4 所示。 多尺度箱梁
模型采用梁单元与实体单元耦合建模,箱梁实体模型
设置在四号滑道的左侧。 箱梁实体采用线性四边形
壳单元(S4R)进行建模,实体长度 6. 8 m,取值为梁高
的 2 - 3 倍,用于分析顶推过程的局部受力性能;而其