基于ANSYS Workbench 的连续刚构边跨现浇段支架有限元分析

2015-04-24林荣光

福建交通科技 2015年6期

■林荣光

（福建省交通建设质量安全监督局，福州 350001）

1 工程概况

东溪特大桥上部构造跨径布置为95+180+95+3×30m，共分为两联。主桥95+180+95m 部分为预应力混凝土连续刚构桥，引桥为3×30m 预应力混凝土先简支后连续T 梁桥，主桥边跨现浇为24#梁段，箱梁顶宽12.25m，底宽6.5m，高3.5m，C55 混凝土61.96m3。主桥边跨现浇段采用三角托架作为现浇施工支承架，以左线3#墩现浇段作为分析对象进行建模和分析计算。支承架在3#墩墩身预埋牛腿盒及孔道，而后安装牛腿、三角型支架作为现浇段的受力托架，牛腿、三角型支架中上部采用Φ32mm 的精轧螺纹钢穿过预埋孔道，在桥墩墩身另一侧锚固形成对拉，三角型支架上部布设6 根I40 工字钢作为横梁，横梁上部搭设φ48mm、δ3.5mm脚手管满堂支架，满堂支架上方布设[]10 槽钢纵梁及模板，如图1。

图1 现浇段支架构造图

2 建立有限元模型(前处理Model)

2.1 分析部位

由于对整个现浇段支架模型分析较繁琐、复杂，对计算机处理能力要求较高，且三角型支架上部脚手管满堂支架相对独立，故对现浇段支架简化后仅分析型钢支架部分，即I40 工字钢横梁以下部分。

2.2 模型建立

由于ANSYS 建模能力相对薄弱，所以采用Auto-CAD 建立模型。

2.3 模型导入

模型导入之前，在ANSYS Workbench 中建立静力结构分析工程(Static Structural)，利用ANSYS 与CAD软件的接口进行导入，输入到ANSYS 中，如图2。

图2 导入ANSYS Workbench 模型示意图

2.4 材料统计

模型导入后，对材料进行属性的编辑，支架材料如表1[1][2]：

表1 支架材料属性表

材料选定后，在Engineering Data 中定义材料特性，完成后赋予到支架相应构件上。

2.5 网格划分[3]

ANSYS Workbench 的网格划分比较优秀，可以自动修复模型导入过程中形成的破面缺陷，在Model 模型中进行所有构件的网格划分，为保证计算机的处理能力及分析的质量，应该适度控制网格的尺寸，对于钢结构网格单元尺寸可定义为0.1～0.3m 之间，现浇段支架网格划分后如图3。

图3 支架网格划分图

3 支架的计算(求解过程Solution)

建模、定义材料特性及划分网格后，可以进行模型的加载和计算。

3.1 支架模型边界条件

由于现浇段支架整体锚固于桥梁墩身上，故假设墩身为刚体，从而定义模型的具体边界条件。

(1) 锚固于墩身的15 根精轧螺纹钢端部施加零位移约束，如图4。

图4 精轧螺纹钢边界条件

(2)牛腿嵌入墩身部分，牛腿与墩身接触的水平面施加Y、Z 方向零位移约束，如图5。

图5 牛腿嵌入墩身部分边界条件

(3)牛腿与墩身接触的竖向面施加X、Y 方向零位移约束，如图6。

图6 牛腿与墩身接触的竖向面边界条件

3.2 支架荷载

(1)荷载值

支架本身的自重荷载在ANSYS Workbench 中有标准的重力加速度，自动添加即可，不需单独计算。

现浇段支架承受的外部荷载主要有箱梁混凝土、模板、翼板小支架、钢管架及方木的自重，由于箱梁横桥向结构不同，荷载值相应也不同，这部分荷载主要分为三个面：左侧翼板下、箱梁中间部分、右侧翼板下。施加荷载时要分段施加，荷载值计算如表2。

表2 荷载值计算表

(2)支架自重荷载加载

在ANSYS Workbench 中支架自重荷载加载利用Static Structural 中对整个支架加载Standard Earth Gravity，设置重力方向为-Z 方向即可。

(3)外部荷载加载

由于纵梁上均布荷载是分段的，需要在已知的受力平面上建立新的受力平面。

施加荷载前在Design Modeler 模式中使用草图(sketching) 绘制出受力面积的边缘，加载Extrude 挤压成面，然后进入Model 模式中进行荷载的施加。

首先施加支架纵梁中部荷载(箱梁中间部分)，如图7。

图7 支架纵梁中部荷载加载图

下一步施加支架纵梁两侧荷载 (箱梁两侧翼板下)，如图8。

图8 支架纵梁两侧荷载加载图

3.3 模型的求解及结果

(1)支架应力

荷载及约束施加后，对模型进行Solve(求解)过程，求解完成后在Solution 中添加Equivalent stress(等效应力)及Total deformation(总变形)，查看等效应力及位移云图，各构件及支架整体应力如图9。

图9 支架在荷载作用下的应力图

根据等效应力云图，可查得支架各个部件应力计算结果如表3。

表3 支架各个部件应力计算结果汇总表

(2)支架变形

根据总变形云图，可查得边跨现浇段支架总体位移最大值为14.9mm，支架总体位移变形如图10。

图10 支架在荷载作用下总体位移变形图

3.4 计算结果的分析

通过ANSYS Workbench 有限元分析，连续刚构桥边跨现浇段支架在箱梁混凝土及其他周转材料的荷载下，支架各部位的应力均满足容许应力要求，支架的最大位移为14.9mm，满足施工使用要求。具体施工时，在支架预压消除非弹性形变后，根据有限元总变形计算结果，可对箱梁进行预设抛高值，以防止支架的弹性形变使得箱梁标高整体向下沉降，影响后续的边跨合龙施工。