MAIDAS在桥梁结构模型设计中的应用

摘要：文章介绍应用MIDAS Civil软件建立结构模型进行有限元分析，具有直观、快捷、便于结构调整和计算准确等诸多优点。将其用于桥梁结构模型设计，进行结构在不同荷载组合作用下的力学变形分析，使桥梁结构模型满足设计要求。

[作者简介]张皓翔（2001—），男，在读本科，研究方向为桥梁、隧道等土木工程。

作为一款通用的空间有限元分析软件，MIDAS Civil适用于桥梁、建筑等各类工程结构的设计分析，在结构设计建模、分析、后处理等方面提供了诸多便利功能。本文结合在重庆交通大学第八届结构设计竞赛中的桥梁结构模型设计实例，利用MIDAS Civil进行设计计算与分析。

1 桥梁模型设计概况

以斜拉+桁架组合桥型的桥梁结构模型为例，设计桥梁总长1 200 mm，桥梁跨度为75 mm+825 mm+300 mm，桥面宽150 mm，沿桥横向的桥墩支座中心距600 mm。桥墩、桥跨均采用桁架结构，桁架高81 mm，立腹杆间距75 mm。

桁架上弦杆采用高6 mm、上、下翼板宽6 mm、腹板宽4 mm的工字形竹杆件，下弦杆、端部斜杆和索塔立柱均为6 mm×6 mm规格竹杆件，桁架立腹杆采用6 mm×3 mm规格竹杆件，主跨斜拉杆采用2 mm×2 mm规格竹杆件，桥梁结构其他杆件均采用3 mm×3 mm规格竹杆件，桥面采用150 mm×1 mm竹片（图1）。

竹材密度0.8 g/cm3，顺纹抗拉强度60 MPa，抗压强度30 MPa，弹性模量6 GPa。

2 桥梁建模

按以下步骤建立桥梁结构模型，①设置单位系;②自定义竹材弹性模量6×103 N/mm2和容重0.007 84 N/cm3;③定义各种杆件截面及桥面板;④通过节点及单元功能建立桥梁模型;⑤定义桥梁结构内部连接;⑥定义桥梁结构的支承类型;⑦依次设置自重荷载等恒载、活荷载;⑧设定荷载组合。完成建模后，运行分析和查看计算结果。

（1）选择单元类型。斜拉索定义为“只受拉/钩/索单元”，桥面板定义为“板单元”，其余杆件定义为“一般梁/变截面梁单元”。

（2）建立边界条件。索塔、主桥及桥墩之间接触处均采用弹性连接-刚性连接。如图1，每个桥梁支座共设4处一般支承，其中1处支承选择D-ALL及RZ，其余3处支承选择DZ、RZ。

（3）建立荷载。桥梁自重荷载取值Z=-1。分两级建立桥梁活载，如图1，一级荷载在主梁两侧对称布置80 N、70 N、50 N、60 N的点荷载;二级荷载则将对称布置的50 N点荷载改为桥梁一侧点荷载100 N，另一侧点荷载为0。在每个活载作用点按挂盘重量500 g设置点荷载为4.9 N。

（4）设定荷载组合。一级荷载组合为自重+挂盘重+一级荷载;二级荷载组合为自重+挂盘重+二级荷载。

3 结构计算分析

桥梁结构模型建好后，先用软件自带功能检查是否存在重复单元，然后再点击运行分析按钮，完成分析后即可查看桥梁受力变形情况（图2～图4）。

3.1 桁架计算分析

选择梁单元应力和一级荷载组合，见图2和图3，桥梁结构的组合应力最大值为31.5 MPa，弯曲应力最大值为16.7 MPa，低于竹杆件容许拉应力60 MPa;组合应力最小值为-25.2 MPa，弯曲应力最小值为-23.9 MPa，低于竹杆件容许压应力30 MPa。

如图4所示，一级荷载组合作用下的桥梁挠度W=2.0 mm，小于最大允许挠度限值[w]=±10 mm，符合设计要求。

选择梁单元应力和二级荷载组合，桥梁结构的组合应力最大值为37.9 MPa，弯曲应力最大值为21.8 MPa，低于竹杆件容许拉应力60 MPa;组合应力最小值为-25.2 MPa，弯曲应力最小值为-25.0 MPa，低于竹杆件容许压应力30 MPa;桥梁挠度W=2.2 mm，小于最大允许挠度限值[w]=±10 mm，符合设计要求。

3.2 斜拉杆计算分析

选择桁架单元应力-受拉和一级荷载组合，见图5，桥梁斜拉杆承受的最大拉应力为σ=5.1 MPa，小于竹杆件容许拉应力60 MPa，符合设计要求。

选择桁架单元应力-受拉和二级荷载组合，桥梁斜拉杆承受的最大拉应力为σ=5.3 MPa，低于竹杆件容许拉应力60 MPa，符合设计要求。

3.3 桥面板计算分析

选择平面应力单元/板单元应力和一级荷载组合，见图6，桥面板承受的最大拉应力为σ=1.6 MPa，小于竹杆件容许拉应力60 MPa，符合设计要求。

选择平面应力单元/板单元应力和二级荷载组合，桥面板承受的最大拉应力为σ=1.7 MPa，低于竹杆件容许拉应力60 MPa，符合设计要求。

4 结束语

作为跨越山涧、河流等为满足交通需要而架设的建筑物。桥梁与人们的生活密切相关，桥梁结构形式众多、结构复杂，在桥梁结构设计中应用MAIDAS Civil等有限元分析軟件进行计算分析十分快捷简便，本文在竹制桥梁结构模型设计中应用MAIDAS Civil软件，在结构模型设计中具有很好的推广应用价值。

参考文献

[1] 邱顺冬.桥梁工程软件midasCivil应用工程实例[M].北京：人民交通出版社，2011.