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空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)外形簡潔、流暢、美觀，跨越能力大，被廣泛應(yīng)用于體育館、航站樓等大型公共場所，而由空間鋼管桁架與混凝土翼緣板通過各種接觸而形成的組合桁架梁也正被廣泛應(yīng)用在橋梁結(jié)構(gòu)中。相對于傳統(tǒng)箱梁橋而言，空間鋼管桁架代替了其腹板和底板，桁架上弦桿通過剪力連接件把鋼桁架和混凝土翼板連接起來，形成組合結(jié)構(gòu)體系橋梁。與普通鋼－混凝土組合梁橋相比，空間鋼管桁架組合梁橋更具有承載能力高，抗彎剛度、穩(wěn)定性和整體性好，且結(jié)構(gòu)輕盈、施工簡便、造價低等優(yōu)點(diǎn)。
空間“倒三角形”圓鋼管桁架混凝土組合梁橋是一種新型橋梁結(jié)構(gòu)形式，其橫向是由兩片共用同一下弦桿件的傾斜桁架，通過２根上弦桿件上焊接的連接件與混凝土翼板連接而成，腹桿布置采用Warren桁架結(jié)構(gòu)形式，上、下弦和腹桿桿件皆采用圓形鋼管。梁端支點(diǎn)采用“Y”形三點(diǎn)支撐，如圖所示。
通常為了解新型結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，往往會通過試驗(yàn)和計算加以驗(yàn)證，同樣也可采用可靠的數(shù)學(xué)分析模型，對其結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行有限元分析，這既能達(dá)到研究的目的，又可節(jié)省研究或開發(fā)費(fèi)用。該文結(jié)合一榀空間倒三角形桁架組合梁模型的加載試驗(yàn)，通過采用非線性有限元軟件Abaqus建立有限元模型，對結(jié)構(gòu)在加載荷載作用下的受力性能進(jìn)行分析，并探討不同設(shè)計參數(shù)對其極限承載力性能的影響規(guī)律。
空間倒三角形管桁架組合模型梁總長度為3000 mm，計算跨徑為2640 mm，管桁架上弦桿與下弦桿軸心高度為350 mm，兩上弦桿軸心寬度為500 mm，混凝土板寬1200 mm，板厚100 mm。試件結(jié)構(gòu)尺寸及支撐情況如圖所示。上、下弦桿采用Q345B級鋼，腹桿和拉桿采用Q235B級鋼，上弦桿為76 mmx4 mm，下弦桿為108 mmx4 mm，腹桿為48 mmx3 mm，拉桿為33 mmx3 mm。各桿件采用E43型焊條進(jìn)行焊接連接。翼緣板混凝土設(shè)計強(qiáng)度為C40，混凝土板采用雙層配筋，橫向鋼筋，縱向鋼筋。采用開孔板連接件，開孔板尺寸為3000 mm×30 mm×3 mm，開孔直徑為10 mm，開孔間距為100 mm。為了防止加載試驗(yàn)時支承處弦管局部發(fā)生壓陷和腹桿壓屈，在鋼管桁架支撐處的弦桿和腹桿內(nèi)灌注C25混凝土。
在試驗(yàn)梁計算跨徑三分點(diǎn)處，采用四點(diǎn)對稱加載。
材料性能測試結(jié)果：混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為33.3 MPa，彈性模量為3.48×e4 MPa。上弦桿屈服強(qiáng)度為479 MPa、彈性模量為2.01×e5 MPa，下弦桿屈服強(qiáng)度為501 MPa、彈性模量為2.06×e5 MPa，腹桿屈服強(qiáng)度為393 MPa、彈性模量為1.88×e5 MPa，拉桿屈服強(qiáng)度為421 MPa、彈性模量為1.96×e5 MPa。
有限元分析模型的尺寸參數(shù)、加載方式、加載點(diǎn)材料參數(shù)等皆與試驗(yàn)梁相同。建模時混凝土本構(gòu)關(guān)系采用塑性損傷模型，鋼材本構(gòu)關(guān)系采用雙折線模型。
在整體空間有限元模型中，組合桁架梁的混凝土翼緣板采用實(shí)體單元Solid模擬，混凝土板中普通鋼筋采用線單元Wire模擬；鋼桁架上、下弦桿和腹桿均采用殼單元Shell模擬，混凝土翼緣板與上弦桿的連接采用Tie（綁定約束）模擬，運(yùn)用Abaqus有限元軟件計算。模型坐標(biāo)原點(diǎn)位于組合梁左端下弦桿位置，以X方向?yàn)榻M合梁的縱向方向，Y方向?yàn)榻M合梁的豎向方向，Z方向?yàn)榻M合梁的橫向方向。在組合梁一端約束X、Y和Z共3個方向的位移為0，而另一端約束Y和Z兩個方向的位移為0。求解過程考慮幾何非線性和材料非線性，采用位移加載的方式施加荷載，利用Amplitudes建立加載規(guī)律。
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