刚构桥自重效应二维仿真分析

2020-02-06盛超SHENGChao蒋梦雅JIANGMengya刘雪君LIUXuejun黄勇HUANGYong

价值工程 2020年35期

盛超SHENG Chao；蒋梦雅JIANG Meng-ya；刘雪君LIU Xue-jun；黄勇HUANG Yong

（江苏建筑职业技术学院，徐州221116）

0 引言

道路桥梁工程的建设，对国民经济的发展发挥着重大作用。桥梁是道路的重要组成部分，桥梁建设中，无论是在桥梁设计还是在桥梁施工过程中，桥梁计算都发挥着关键作用。随着有限单元法及计算机技术的发展，桥梁电算在桥梁计算中获得的广泛的应用，桥梁的仿真分析计算使桥梁计算更加的方便快捷。桥梁仿真分析计算，有专业计算软件和通用软件。ANSYS 是一款大型通用有限元分析软件，已经成为机械、交通运输、土木建筑等众多领域设计分析和技术交流的平台，该大型通用软件主要由前置处理、解题程序以及后置处理等组成[1-5]。桥梁的跨越能力有很大部分被桥梁自重消耗，科学便捷的计算桥梁自重效应对桥梁建设有着重要意义。本文以某预应力混凝土连续刚构箱梁桥的自重效应二维仿真分析为例，阐明了刚构自重效应二维仿真分析建模技巧、数据提取及仿真分析中应注意的问题。

1 工程概况

某预应力混凝土连续刚构桥，设计荷载为公路-I 级，设计基准期为100年，设计安全等级为一级，环境类别为Ⅱ类；上部结构采用35m＋60m＋90m＋60m＋35m 变截面预应力混凝土箱梁，梁高由主跨的跨中及直线段的2.0m 至主跨墩顶的5.0m，按二次抛物线变化，下部结构的主墩为双薄壁式墩，边墩为板式桥墩，该桥总体布置如图1 所示。

图1 刚构桥总体布置图（单位：cm）

2 有限元仿真分析

桥梁结构的有限元仿真分析，首先必须建立有限元模型，模型建立的准确程度，对仿真分析结果的可靠性发挥着关键作用。进行桥梁结构建模的时候，可以采用人机交互输入的方法，这种方法适用于较为简单的结构以及初学者，对于较为复杂的结构也可采用命令流输入建立模型，也可以采用人机交互输入以及命令流输入两种方式结合的方法建立模型。采用哪种方式，应根据结构的实际情况以及学习者或研究者的习惯而定，笔者认为，利用命令流的方式便于检查，条理较为理顺，所以本例采用命令流的方法建立模型。

ANSYS 提供了丰富的单元类型，可以根据分析的目的，选取不同的单元类型来模拟相应的结构构件，例如桥梁结构中的缆索、吊杆等构件，常用杆单元进行模拟，对于主塔、主梁等构件则可以采用两单元或者壳单元进行模拟[5]，至于选择那种单元，还要结合单元库中该单元的特性综合考虑来定。进行桥梁自重效应二维仿真分析，本研究选取的单元类型为plane2，该单元是2 维6 节点三角形实体结构单元，具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应力刚度、大变形以及大应变的能力。需要说明的是ANSYS 经历多年的发展，有些旧版本中的单元类型在新版本中不再显示，但是仍然能用。

有限元模型建好之后需要进行有限元模型网格划分，常用的两种网格划分方法是映射网格划分和自由网格划分，进行网格划分后，施加约束的有限元模型如图2 所示。

图2 施加约束后的有限元模型

在桥梁各墩台施加约束后，就可以进入求解器求解计算求得自重效应，求解结构自重效应可以通过两种方式实现，一种方式是将结构自重看作荷载施加在结构上，如果结构是等截面的，可以根据结构截面积和材料容重算出每米长度的结构自重，然后作为荷载施加在结构上；另一种方法是建模的时候在前处理器中定义材料密度，对结构施加重力加速度，以此来求得结构自重效应。本研究的连续刚构桥上部结构是变截面梁，所以采用第二种方法可以使计算便捷。本研究求解后，可以利用后处理器求得结构重力作用下的变形图，在重力作用下的变形如图3 所示。

图3 刚构桥自重作用下的变形

求解之后，在后处理器中，还可以求得各节点的竖向位移，可以用记事本的方式将各节点竖向位移输出，本项目研究的刚构桥的中跨跨中竖向位移、次边跨最大竖向位移、边跨最大竖向位移提取整理后如表1 所示。

表1 刚构桥各跨最大竖向位移单位：cm

将表1 自重作用效应引起的刚构桥各跨最大竖向位移值绘制成图，如图4 所示。

通过表1 和图4 可知，在自重作用效应下，刚构桥最大竖向位移发生在中跨的跨中，次边跨的最大竖向位移小于中跨的跨中竖向位移，边跨最大竖向位移小于次边跨最大竖向位移。

图4 自重效应下刚构桥各跨节点最大竖向位移对比图

通过后处理输出次边跨位移，可以求得次边跨位移最大值发生在第30344 号节点，该节点不在该梁的次边跨的跨中，而是位于距离梁端57.143m 处；边跨最大唯一发生在第44974 号节点，该节点位于距离梁端16.66m 处，而不是位于边跨的跨中；这是因为该桥是超静定结构，对于简支梁而言，最大弯矩和最大位移发生在各跨的跨中，而对于超静定结构，由于支点负弯矩的存在，使得边跨和次边跨的最大竖向位移就不是发生在跨中，从这方面而言，也印证了该仿真分析的正确性。