ANSYS求解連續剛構橋溫度效應技巧

盛 超,杜 娟

(宿遷學院建筑工程系)

0 引 言

受自然環境變化影響的連續剛構箱梁橋,在外界溫度變化作用下,其表面溫度迅速上升或下降,但內部大部分區域仍處于原來的溫度狀態,從而在箱梁中形成較大的溫度梯度,進而引起溫度變形,這種溫差作用下產生的變形,受到箱身截面的纖維約束時將產生溫度應力。

由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國 ANSYS開發的 ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件,其用戶涵蓋了機械、航空航天、能源、交通運輸、土木建筑等眾多領域。ANSYS是這些領域進行分析設計技術交流的分析平臺,是個功能強大的有限元分析程序,ANSYS主要由前置處理(Preprocessing)、解題程序(solution)以及后置處理 (Postprocessing)以及時間歷程等組成。

1 工程概況

某橋橋梁軸線與水流交角為 90°,橋梁全長 287.54m。主橋上部采用 35m+60m+90m+60m+35m預應力混凝土剛構 -連續箱梁體系;主橋主墩采用雙薄壁式墩,主橋邊墩采用板式橋墩;基礎為鋼筋混凝土沉井基礎、剛性擴大基礎。箱梁采用單箱單室,主跨墩頂高度為 5.0m,跨中高度2.0m,箱梁梁高按二次拋物線(y=0.001829x2)變化,頂板厚 0.25m,在墩頂范圍內為 0.5m,底板厚度在墩頂截面為1.0m,墩頂根部為 0.7m,在跨中為 0.3m,其間按而此拋物線連續變化,腹板厚度按 0.7～0.55～0.4m變化。全橋總體布置及橫斷面形式如圖1所示。

圖 1 箱梁橫斷面圖 (單位:cm)

2 有限元模型的建立

在 ANSYS仿真分析過程中,有兩種輸入方式:人機交互輸入和用命令流的方式輸入,對于復雜的結構用命令流或兩者配合輸入比較方便,另外,建模過程中,可以利用結構的對稱性通過映像的方法也可以起到事半功倍的效果。

根據該連續剛構箱梁橋的實際尺寸,用 ANSYS建立全橋模型。

ANSYS具有豐富的單元庫和材料庫,可以通過對各種荷載工況的組合,較為精確的反映出橋梁在各種因素下的綜合特征。針對不同的結構,進行單元選擇的時候,應盡量選擇適用于分析目的的單元,在 ANSYS的單元庫中,solid90單元為二十節點六面體單元,該二十節點單元有協調的溫度形函數,每個節點具有一個溫度自由度,本文選用 solid90單元。進行單元劃分時,可以使用自由網格劃分,也可以使用映射網格劃分,前者對實體模型無特殊要求,后者要求實體模型具有規則的形狀。對該模型進行單元劃分,全橋共分 181472個單元。

3 荷載的施加與有限元求解

ANSYS具有多場藕合分析功能,能夠對自然界力場、流場、熱場、磁場實現全面分析,在 ANSYS中,熱場與結構應力場屬于不同的物理場,要在熱場和結構應力場之間建立關系需要進行熱應力耦合分析,熱應力問題實際上是熱和應力兩個物理場之間的相互作用。

在ANSYS中求解連續剛構橋溫度效應時,首先要確定溫度梯度模式,各橋涵設計規范對溫度梯度模式都作了規定,并且都有一定程度的差異。我國公路橋涵設計通用規范JTGD60-2004規定:計算橋梁結構由溫度引起的效應時,可采用圖 2所示的豎向溫度梯度曲線。

圖 2 中國公路規范溫度梯度模式(尺寸單位:mm)

對混凝土結構,當梁高 H小于 400mm時,A=H-100(mm);梁高H等于或大于 400mm時,A=300mm。對帶混凝土橋面板的鋼結構,A=300mm,圖中t為混凝土橋面板的厚度(mm)。混凝土上部結構和帶混凝土橋面板的鋼結構的豎向日照反溫差為正溫差乘以-0.5。

表 1 豎向日照正溫差計算的溫度基數

在ANSYS進行熱—結構藕合分析時,實際上是把溫差作為一種荷載施加在有限元模型上,然后施加邊界條件進行運算求解。

ANSYS中藕合場的分析最終可歸結為兩種不同的方法即直接藕合方法和序貫藕合方法:直接藕合解法,通過計算包含所有必需項的單元矩陣或單元荷載向量來實現,利用包含所有必需自由度的藕合單元類型通過一次求解得出耦合場分析結果;序貫藕合解法按照順序進行兩次或更多次的相關場分析,通過把第一次場分析的結果作為第二次場分析的載荷來實現兩種場的藕合。序貫藕合方法簡單而且適應性強,對熱—結構模型限制較少,故本文運用序貫熱—應力藕合法對連續剛構箱梁進行熱—結構藕合分析。

序貫熱—應力藕合分析中需要將熱單元轉換為相應的結構單元,與熱單元 solid90相對應的結構單元是 solid95,Solid95是Solid90的等效結構單元,即 3-D結構實體二十節點六面體單元,該二十節點單元有協調的彎曲邊界形函數,每個節點具有三個自由度(X,Y,Z三個方向的位移)。本文用熱單元solid90及與其相對應的結構單元solid95進行序貫熱—應力藕合分析。

施加溫度荷載進行熱分析后,將溫度作為荷載施加在有限元模型上,按公路規范新規范規定的溫度模式施加溫度荷載后的有限元模型。

4 后處理

在 ANSYS中,檢查分析結果可以使用兩種后處理器:POST1通用后處理器,可用來檢查整個模型在某一荷載步和子步的結果;POST26時間歷程后處理器,可以檢查模型的指定點的特定結果相對于時間、頻率或其他結果項的變化。選用通用后處理器處理仿真計算數據。

使用通用后處理器可以把仿真計算結果用應力等值線的方式顯示出來,通過有限元分析,求得的連續剛構橋跨中斷面的應力云。

使用通用后處理器還可以顯示模型仿真分析的結構變形,通過有限元分析,求得的連續剛構橋的變形。

5 結 語

用ANSYS有限元分析軟件求解連續剛構箱梁橋的溫度效應,涉及到有限元模型的建立、單元類型的選擇、熱—應力耦合分析類型選擇以及后處理等問題。我們應該根據具體情況尋求適宜的方法,滿足我們學習研究的需要。

[1]蔣國富.大跨徑橋梁高墩日照溫度效應的研究[D].長安大學,2005.

[2]康為江.鋼筋混凝土箱梁日照溫度效應研究[D].湖南大學碩士論文,2000.

[3]柯尊禮.大跨度PC連續箱梁橋的溫度場及其效應分析[D].武漢理工大學碩士論文,2004.

[4]王琳,項貽強,王勁豐,王建江.各國規范關于混凝土箱梁橋溫度應力計算的分析與比較[J].公路,2004,(6):76～78.

[5]中華人民共和國行業標準.JTGD60-2004公路橋涵設計通用規范[M].北京:人民交通出版社,2004.

[6]王富恥,張朝暉.ANSYS10.0有限元分析理論與工程應用[M].北京:電子工業出版社,2006.

[7]陳精一,蔡國忠.電腦輔助工程分析 ANSYS使用指南[M].北京:中國鐵道出版社,2001.

[8]王建江,胡仁喜,劉英林等編著.ANSYS11.0結構與熱力學有限元分析實例指導教程[M].北京:機械工業出版社,2008.