工字鋼組合梁整體橋有限元建模分析方法概述目錄TOC\o"1-3"\h\u13590工字鋼組合梁整體橋有限元建模分析方法概述 146081.1結(jié)構(gòu)-土相互作用 1298071.2有限元模型建立 21.1結(jié)構(gòu)-土相互作用橋梁結(jié)構(gòu)由于溫度的升降會(huì)產(chǎn)生沿縱橋向的伸縮，傳統(tǒng)有縫橋橋臺(tái)設(shè)置支座，通過伸縮縫吸收橋梁縱向變形，計(jì)算分析時(shí)可以上、下部結(jié)構(gòu)分開計(jì)算。由于采用整體式橋臺(tái)取消了伸縮縫，整體橋?qū)㈦S著溫度變化產(chǎn)生縱橋向往復(fù)位移，計(jì)算分析時(shí)與臺(tái)后土、樁側(cè)土發(fā)生相互作用對(duì)橋梁受力產(chǎn)生很大影響。對(duì)于結(jié)構(gòu)-土相互作用，現(xiàn)有計(jì)算方法大體分三類：（1）極限地基反力法；（2）彈性地基反力法（我國(guó)對(duì)應(yīng)為“m法”）；（3）非線性地基反力法（如p~y曲線法）。根據(jù)《公路無伸縮縫橋梁技術(shù)規(guī)程》（T/CECSG：D60-01-2020）[61]（下文簡(jiǎn)稱《無縫橋規(guī)》）規(guī)定：當(dāng)樁頂總變形量較大時(shí)，p~y曲線法計(jì)算結(jié)果較好；樁頂總變形量不大，“m法”仍有一定的適用性?？紤]到本課題主要采用混凝土樁基而不采用鋼樁，更適合于我國(guó)目前工程建設(shè)實(shí)際情況，混凝土樁基的樁頂變形量不會(huì)太大，且標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的橋梁總長(zhǎng)將受到限制。因此，本文仍采用“m法”以考慮樁-土相互作用。《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG3363-2019）[62]（下文簡(jiǎn)稱《地規(guī)》）中的“m法”，根據(jù)假定，與地基性質(zhì)，樁身性質(zhì)，埋置程度等因素成正相關(guān)，即：Cz=mz（2-1）式中：Cz——深度z處的地基系數(shù)；m——地基土比例系數(shù)；z——地基土深度。地基土側(cè)向彈簧剛度K側(cè)z為：K側(cè)z==Czazbz=mzazbz（2-2）式中：K側(cè)z——土體的彈簧剛度；σxz——深度z處樁側(cè)橫向彈性土抗力；Xz——深度z處樁側(cè)向水平位移；az——樁身計(jì)算寬度；bz——土層的厚度。1.2有限元模型建立選取某3×12m工字鋼組合梁整體橋?yàn)榻?duì)象，橋梁總長(zhǎng)為38.2m，橋?qū)挒?1.14m，整體布置如圖2-10所示。上部結(jié)構(gòu)采用8片鋼梁，材質(zhì)為Q355NH耐候鋼，下部結(jié)構(gòu)采用整體式橋臺(tái)，基礎(chǔ)采用樁徑1m的圓形截面鉆孔灌注摩擦樁，墩梁半剛接整體式橋墩，全橋不設(shè)置支座和伸縮縫。橋面板采用C40混凝土，搭板、橋臺(tái)和基礎(chǔ)采用C30混凝土。采用MIDAS/Civil2019建立三維桿系有限元計(jì)算模型，如圖2-11（a）所示，全橋共1144個(gè)節(jié)點(diǎn)，1566個(gè)單元。采用梁格法建立橋梁上部結(jié)構(gòu)，主梁和樁基礎(chǔ)采用梁?jiǎn)卧M，整體橋臺(tái)采用板單元模擬。由于本文橋梁跨徑和橋臺(tái)尺寸均較小，且采用混凝土樁基，允許縱向變形量較小，故選用“m法”對(duì)橋臺(tái)彈簧剛度和樁基彈簧剛度進(jìn)行計(jì)算。橋臺(tái)節(jié)點(diǎn)布置縱橋向節(jié)點(diǎn)彈性支撐，樁身布置了縱橋向和豎向節(jié)點(diǎn)彈性支承從而模擬結(jié)構(gòu)-土相互作用，橋臺(tái)和部分樁基節(jié)點(diǎn)彈簧布置如圖2-11（b）所示。(a)立面布置圖(b)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖圖2-10背景工程橋梁整體布置圖（單位：cm）(a)有限元計(jì)算模型(b)邊界條件設(shè)置圖2-11全橋桿系有限元計(jì)算模型土彈簧的設(shè)置參考1.1節(jié)介紹的計(jì)算方法，分為臺(tái)后土彈簧和樁側(cè)土彈簧兩種，均采用《地規(guī)》附錄L的“m法”進(jìn)行計(jì)算，并在不同土層依據(jù)土質(zhì)選擇m值，使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，各土層取值依據(jù)按土層狀態(tài)及液限指數(shù)IL得到。各樁基實(shí)際所處位置的地層成因、狀態(tài)和液限IL取值根據(jù)地質(zhì)報(bào)告得到。各土層m值取值見表2-5。表2-5各土層m值取值表地層名稱及成因液性指數(shù)ILm值（kN/m4）素填土--2000淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土1.533000粘土0.1314800粉質(zhì)粘土夾粉土0.517400粘土0.309500粉質(zhì)粘土0.943480粘土0.626300粉質(zhì)粘土夾粉土0.507500粘土0.576800單側(cè)橋臺(tái)處土彈簧剛度計(jì)算如表2-6所示，臺(tái)后土類型按中砂考慮取m值為10000kN/m4，橋臺(tái)處節(jié)點(diǎn)區(qū)域彈簧剛度K計(jì)算取值范圍在171.5kN/m~18890.5kN/m之間。列出橋臺(tái)處樁基的土彈簧K值見表2-7，K值的總體趨勢(shì)為沿著地基深度的增加而增大，取值范圍在7979kN/m~1079244kN/m。表2-6橋臺(tái)處各土層m值取值表m值(kN/m4)地基土深度z(m)深度z處土層的厚度az(m)深度z處節(jié)點(diǎn)計(jì)算寬度bz(m)K(kN/m)100000.2520.2520.27171.5100000.5040.5041.062692.6100001.0080.6021.589587.7100001.7080.7000.566725.3100001.4080.3500.564740.8100000.2520.2521.06673.1100000.5040.5041.062692.6100001.0080.6021.066431.2100001.7080.7001.0612673.4100001.4080.3501.068933.7100000.2520.2521.581003.4100000.5040.5041.584013.5100001.0080.6021.589587.7100001.7080.7001.5818890.5100001.4080.3501.5813316.2表2-7橋臺(tái)樁基剛度K值計(jì)算表m(kN/m4)地基土深度z(m)深度z處土層的厚度az(m)深度z處基樁計(jì)算寬度bz(m)K(kN/m)2000-1.2081.001.879492000-3.2080.581.866982000-3.7881.171.8159554520-4.9581.001.8403384520-5.9581.001.8484744520-6.9580.791.8447224520-7.7481.001.8630384520-8.7481.001.8711744520-9.7481.001.8793104520-10.7481.001.8874464520-11.7481.001.8955824520-12.7481.001.81037184520-13.7480.201.8223714520-14.6480.701.8834234520-15.3481.001.81248714520-16.3481.001.81330074520-17.3481.001.81411434520-18.3481.001.81492794520-19.3481.001.81574154520-20.3481.001.81655514520-21.3481.001.81736874520-21.3481.001.81818234520-23.3481.001.81899594520-24.3481.001.81980954520-25.3481.001.82062314520-26.3481.001.82143674520-27.3481.001.82225034520-28.3481.001.82306394520-29.3481.001.82387754520-30.3480.841.82074064520-31.1881.001.82537469500-31.1880.401.822016610400-33.5881.001.862876710400-34.5881.001.864748710400-35.5881.001.866620710400-36.5881.001.868492710400-37.5881.001.870364710400-38.5881.001.872236710400-39.5881.201.888930510400-40.7881.001.87635518900-41.7881.101.87363888900-42.8881.001.86870667700-43.8881.001.86082887700-44.8881.001.86221487700-45.8881.001.86360087700-46.8881.001.86498687700-47.8881.001.86637287700-48.8881.001.86775887700-49.8881.001.86914487700-50.8880.501.83526547700-51.3881.001.87122389400-51.3881.001.88864059400-53.3880.801.8