新型挂梁结构恒载力学特性的有限元数值分析

    桥梁结构中普遍采用一种称为挂梁的牛腿结构,是一种钢筋混凝土结构·挂梁设在两个相邻的桥墩之间,通过挂梁两端的牛腿结构与桥墩两侧伸出的悬臂相连接,组成一个完整的桥梁结构·牛腿是一些桥梁结构的一个重要组成部分,它用来衔接悬臂梁和挂孔,传递来自挂梁的荷载·在挂梁结构的牛腿处梁的高度突然减小,截面凹折转角比较多,而又要传递的集中力数值非常大,所以牛腿是一个受力非常复杂的部位,而且在牛腿的转角处往往由于受拉产生裂缝,虽然可以通过配置的钢筋来加强抗拉性能,但是效果不尽理想,给桥梁工程结构埋下事故隐患·此外,这种挂梁的施工方法并不方便·为了解决这一问题,可以改进结构形式,将挂梁结构的牛腿部位倒过来设置[1],挂梁可由下向上托挂,并用多对高强螺栓将其与两端的悬臂结合在一起,将使原来牛腿结构容易产生裂缝的地方处于压弯的受力状态,使结构的受力更加合理,配筋也可减少,同时施工过程也得到简化·

    1　新型挂梁结构及分析模型

    从结构体的受力情况分析,这种新式的挂梁结构(如图1所示)解决了牛腿转角处易拉破坏的问题·

    目前对新式挂梁结构的力学特性的研究以及结构设计分析工作还很有限,使其工程上的实际应用受到了限制·如果能够对这种新式结构进行深入的分析研究,并进行优化设计,该结构必将得到广泛的工程实际应用·目前工程上广泛应用的有限元方法,对于分析结构力学特性效果显著[2,3],本文采用有限元数值模拟的分析方法,对新旧两种挂梁混凝土结构的恒载受力特性进行非线性有限元数值分析,其有限元分析模型采用非结构离散网格,这种网格的优点是容易离散复杂的工程问题,并具有自适应分析功能[4]·

    2　混凝土结构非线性有限元数值分析方法

    (1)正交异性的混凝土介质材料的基本假设·在用有限元对牛腿结构进行非线性有限元分析时,为了更加准确地模拟混凝土材料的非线性性质,根据非线性弹性力学理论和混凝土材料的非线性[5~7],采用了如下的基本假设来计算:假设混凝土材料为正交异性的介质,也就是说,材料的弹性模量在两个互相垂直的主应力方向上是互不相同的,该假设能从实际上反映出混凝土材料的非线性性质·

    (2)割线刚度迭代法求解非线性问题·为了简化计算,采用了比较简单而常用的割线迭代法,其基本过程是:把荷载全部作用于结构,根据即时的割线材料(本构)矩阵和割线单元刚度矩阵,用波前法逐级计算节点位移,直到平衡条件达到满足的要求,即满足收敛准则,停止计算,取最终的位移结果[8~10]·

    3　传统牛腿结构的受力特点[11]