吴凯光 刘继伟
（珠海东方重工有限公司，广东珠海519175）
摘 要：澳门路氹连贯公路圆形地行人天桥工程主体为环形钢箱梁，桥段全长391m，圆环半径为62 m，桥身跨度大且具有一定的曲率，受力复杂。采用单梁法和板梁组合法建立了有限元分析模型，分别对该环形钢箱梁桥进行了静力分析和模态分析，对比了两种模型的计算结果并总结相关的规律，可为同类型的桥梁计算分析参考。
关键词：行人钢箱梁天桥；有限单元法；板单元；计算分析
DOI:10. 13206/j,gjg201604008
1 工程概况
因应离岛地区未来发展，为完善路氹未来的交通发展，以及舒缓路氹连贯公路圆形地的交通压力，特区政府在路氹连贯公路圆形地上建造具备观光功能的行人天桥。行人天桥工程主体为钢结构的环形钢箱梁截面，环形箱梁桥段全长391 m，圆环半径为62 m；钢箱梁整体用钢近3 000 t，由14根混凝土的桥墩支承，图1为行人天桥模型。本文通过对该桥进行静力分析以及模态分析，并总结相关的规律，为同类型的桥梁计算分析提供参考。
2有限元计算方法
单梁法建模较简单，用这种方法建立的力学模型与结构的实际受力情况基本吻合，既考虑了荷载作用下结构的纵向弯曲和整体扭转，也考虑了整个截面的横向变形。
板梁组合单元法将钢箱梁的顶板、底板、腹板考虑为四结点的各向连续同性的薄板单元，加劲肋考虑为空间梁单元。这种方法建立的力学模型与结构的实际受力形式相吻合，既考虑了荷载作用下结构的纵向弯曲和整体扭转，也考虑了板单元的局部屈曲和变形，但这种方法建模较复杂。
3 建模流程及参数
根据设计图纸，选取行人天桥B一D轴的结构作为分析对象，如图2所示。B一D轴段的曲线半径为62 m，桥长为56.4 m，桥面宽6m，共设置3个桥墩，钢箱梁的顶板、腹板、底板的厚度为30 mm，纵向加劲肋的截面为L 150×20。
2)板梁组合模型计算参数：采用MIDAS空间梁单元与板单元建立组合模型；钢箱梁顶底板及腹板采用四结点的板单元模拟；加劲肋采用空间梁单元模拟；横隔梁采用板单元等效；在D轴附近的墩上设置固定铰（图4）。
4 静力计算结果
静力计算工况考虑为“恒载+二期恒载+人群荷载”，单梁模型的“二期恒载+人群荷载”为线荷载，而板梁组合模型的“二期恒载+人群荷载”为均布荷载。单梁模型的计算结果如图5、图6所示，板梁组合模型的计算结果如图7、图8所示，单梁模型与板梁组合法模型的结果数据对比如表1所示。
单梁模型的最大竖向位移为9.8 mm，单梁模型的最大应力为51.9 M Pa，分别如图5、图6所示；板梁组合模型的最大竖向位移为11.9 mm，板梁组合模型的有效应力为64 M Pa，分别如图7、图8所示，两组模型的位移和应力的最大值的结果误差在20%左右。从表1的结果可以看出，板梁组合法的竖向位移计算结果与单梁法的计算结果的比值位于0. 75~0.95之间，说明单梁模型的竖向刚度较板梁组合模型的刚度大，所以单梁模型所计算的位移及应力较板梁组合模型所计算的位移及应力小。两组模型的横向位移值与纵向位移值较小，本文不做深入分析。
5 模态计算结果
本文的模态计算采用子空间法，该法采用子空间的迭代技术以及广义的Jacobi迭代算法。两组模型的结果分析如下。
单梁模型竖向一阶振型、竖向二阶振型如图9所示，板梁组合模型的竖向一阶、竖向二阶振型如图10所示；两组模型前6阶振型的计算结果如表2所示。、
从表2可以看出，两组模型的前两阶的模态振型一致，但单梁模型的一阶、二阶频率比板梁组合单元的频率小，说明单梁模型的竖向刚度较板梁组合模型的刚度大，这与静力的计算结果一致。单梁模型的3阶以上的模态结果与板梁组合模型的模态结果差别较大，说明了两组模型的质量分布和刚度分布并不一致，此外单梁模型的模态不考虑构件的畸变变形，而板梁组合模型计算时则考虑了此特征。
6 结 论
1)通过单梁法与板梁组合法来计算澳门的路氹连贯公路圆形地行人天桥，两种方法的计算结果误差约在20%以内，结果比较表明：两种方法都正确地模拟了实际工程的状态。
2)静力计算结果说明：采用单梁法计算的竖向位移及应力均小于板梁组合法的位移及应力，此结果表明单梁法模型的竖向刚度较板梁组合法模型的竖向刚度大。
3)模态计算结果说明：采用单梁法的前两阶振型与板梁组合法的振型一致，而单梁法模型的频率较板梁组合法模型的频率大，此结果表明单梁法模型的竖向刚度较板梁组合模型的竖向刚度大。两组模型的高阶模态不一致说明了两组模型的质量分布和刚度分布并不一致，此外单梁模型的模态不考虑构件的畸变变形，而板梁组合模型计算时则考虑了此特征。
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