中小跨度混凝土梁式橋快速建模計算關鍵技術

陳曉華，劉錫鑫，葉 鵬

(1.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津300161;2.軍事交通學院 學員旅，天津300161;

3.軍事交通學院 科研部，天津300161)

在我國公路橋梁中，中小跨度混凝土梁式橋占到相當大的比重。近年來，我國中小跨度橋梁中危舊橋梁數量增長明顯，其在橋梁總數中的比例很高［1］，對我軍重裝備的通過性造成了較為嚴重的影響。在重裝備通過承載能力不明的中小跨度混凝土梁式橋之前，亟需對橋梁的承載能力進行檢測評估，其中，基于有限元計算程序的仿真評估方法越來越受到工程界的重視和認可。

ANSYS 是得到工程界廣泛認可的大型通用化有限元分析軟件，可以對橋梁結構進行細致的結構分析，但是專業性強，難于掌握。為了克服基層指戰員專業水平相對不高，橋梁評估知識相對較弱的缺點，基于C#開發平臺，開發了《危舊橋梁重裝備通過性檢測(仿真)評估系統》(以下簡稱《評估系統》)，可在電腦界面中通過參數輸入的方式建立實測橋梁有限元模型及施加荷載，并自動后臺調用ANSYS 進行分析計算，同時設置了結果查看功能，增強了本技術的現場適用性。

1 橋梁通用模型的建立

1.1 橋梁通用模型建模數據

為了便于現場施工以及維修加固，現在大部分的中小跨度梁式橋一般參照部頒圖紙，使用標準跨徑并采用標準截面和鋼筋分布形式。按照部頒圖紙，將橋梁分為普通板梁橋、預應力板梁橋、工字梁橋和箱梁橋4 種形式，其中普通板梁橋又可分為普通實心板梁橋和普通空心板梁橋2 種。為了便于在實際使用中修改橋梁參數和重裝備的軸重、軸距等數據，在建立橋梁的通用模型時，不使用實際數據進行建模，而是使用ANSYS 的參數化編程語言APDL 中全局變量和局部變量表示的參數進行建模。將參數分為橋梁數據、混凝土數據、鋼筋數據和荷載數據4 類。

1.1.1 橋梁數據

(1)計算跨徑。計算跨徑為橋梁的2 個支座中心線之間的距離。

(2)截面尺寸。按照橋梁的分類形式，需要針對各種橋梁的截面形式分別預設不同的截面尺寸，在《評估系統》中，給出了5 種橋梁的截面示意圖，可快速確定每種橋梁形式的截面尺寸(如圖1所示)。

圖1 5 種梁式橋截面示意

(3)梁板數量。在建模時，通常首先建立一片梁或者板的實體模型或有限元模型，然后通過復制來獲得多片梁的有限元模型，因此需要現場實測梁板數量，來建立整座橋的有限元模型。

(4)單雙行數。在有些橋梁中，為區分上下行車輛，通常在橋梁中間設置隔離帶，因此需要預設重裝備通行的位置。在本文程序中，單行用1 表示，雙行用2 表示。

1.1.2 混凝土數據

對于普通鋼筋混凝土橋梁，可能存在開裂行為，因此，需要預設的混凝土數據包括混凝土彈模、泊松比、密度、開裂強度和塑性系數。對于預應力鋼筋混凝土橋梁，不允許開裂的出現，因此只需要預設混凝土強度、彈模和密度數據。

1.1.3 鋼筋數據

需要預設的鋼筋數據包括保護層厚度、鋼筋泊松比和密度。對于普通鋼筋混凝土橋梁，需要定義普通鋼筋面積(用以小荷載試驗調整配筋率)和普通鋼筋彈模;對于工字梁橋(全預應力梁橋)，需要定義預應力鋼筋面積(用以小荷載試驗調整配筋率)和預應力鋼筋彈模;對于箱梁橋，除了有預應力鋼筋外，受拉區還有普通鋼筋，因此，需要定義普通鋼筋面積(用以小荷載試驗調整配筋率)和普通鋼筋彈模，以及預應力鋼筋面積(用以小荷載試驗調整配筋率)和預應力鋼筋彈模。

1.1.4 荷載數據

為了便于參數化加載，在橋梁有限元模型建立過程中需要考慮加載的問題。在進行混凝土有限元模型建立時，分段建立模型或者分段拉伸，保證加載點存在節點。需要施加的荷載包括2 種，一種是基于小荷載試驗模型修正中的標準檢測車荷載，另一種是重裝備荷載。

標準檢測車是擬在后續研究中開發的一種橋梁檢測設備和評估設備承載平臺，同時兼具小質量荷載的作用，其軸重和軸距是確定的。在施加標準檢測車荷載時，不需要特別明確荷載施加位置，只需要現場實際加載位置和有限元模型加載位置一致即可(如圖2 所示)。

圖2 標準檢測車荷載圖示

使用重裝備進行加載時，需要將重裝備置于最不利荷載位置，本文規定重裝備作用于橋梁上的最不利荷載位置時，第1 個軸距離支座的長度規定為距離1，第1 個軸距為距離2，第2 個軸距為距離3，以此類推，如圖3 所示。此外，荷載數據還包括輪距，即每軸兩輪中心線之間的距離。

圖3 最不利荷載位置示意

1.2 荷載和約束的施加

在建立橋梁通用模型的過程中，必須要考慮荷載和約束的施加問題。

(1)荷載的施加。在建立橋梁模型時，首先建立端截面的有限元模型，然后采用拉伸端截面的方式獲得整座橋梁的有限元模型。為了保證荷載施加的位置存在節點，橋梁縱向不采用一次性拉伸至橋梁跨度的方式，而是采用分段拉伸的方式，首先拉伸距離1，然后拉伸距離2，直到拉伸到橋梁跨度，這樣可以保證在橋梁縱向上，軸重施加點存在節點。

同時為保證橫橋向軸重施加點處存在節點，端截面劃分網格時，采用面尺寸，面單元大小假設為0.1 m，在選擇橫橋向荷載施加節點時，首先選擇荷載施加點附近0.09 m 區間內的節點，這樣可以保證選中至少一個節點，然后將選中的節點按照節點號排序，選擇節點號較大的一個節點，然后施加軸重荷載。這樣可能存在一定的誤差，但誤差極小，可忽略不計。經過這樣的處理，可在荷載施加點附近選中合適的節點，保證荷載施加的正確合理性。

(2)約束的施加。施加約束時，首先，選擇橋梁端截面最下方兩排節點施加豎向約束，模擬支座的豎向支撐作用;然后，選擇橋梁最外側支座處最邊緣的一個節點施加橫橋向和縱橋向約束，在該支座的縱向對側支座處選擇最外側節點施加橫向約束，在該支座的橫橋向對側支座處選擇最外側節點施加縱向約束，分別用來約束橋梁橫橋向位移和縱橋向位移。以普通實心板梁橋為例，約束施加如圖4 所示(省略對豎向約束的表示)。

1.3 橋梁通用模型的建立

將上述數據預設了合適的參數，用全局變量和局部變量表示參數，分別編寫了5 種橋梁形式適用于任何跨度和任意荷載形式的通用命令流，建立了5 種橋梁形式的通用有限元模型并施加了約束及荷載(如圖5 所示)。

圖4 橋梁約束示意

圖5 5 種橋梁形式的通用模型

在實際操作中，只需要根據現場實測數據將上述相應橋梁形式的通用模型參數加以修改，就能達到快速建模的目的。

2 實橋有限元模型的建立

在建立中小跨度橋梁通用模型時，需要預設橋梁數據、混凝土數據、鋼筋數據和荷載數據，同樣，在現場也需要檢測這4 類數據，用以修改通用有限元模型，達到快速建立實測橋梁有限元模型以及加載計算的目的。文獻［2］對上述數據的檢測方法進行了系統的研究，并選定了每種數據的檢測設備和方式［2］。

在獲得現場實測數據后，就可以對通用有限元模型進行修改，這一過程相對復雜而且專業性很強，不適于部隊人員操作。鑒于此，《評估系統》開發了參數修改功能，可在參數修改界面通過簡單的數值輸入的方式輕松修改參數，而不必在橋梁通用模型的命令流中進行修改，這大大降低了部隊人員的操作難度，增強了該技術的實用性。參數修改的過程包括以下3 個關鍵步驟。

(1)讀取相應的通用橋梁模型命令流。5 種通用橋梁模型形式對應了各自的建模、加載命令流，在命令流中，預設了可能進行修改的參數。以工字梁為例，在系統的二級界面中選擇了工字梁后，系統會自動彈出工字梁橋功能界面，在點擊“參數替換”按鈕后，自動彈出工字梁橋參數修改界面，同時系統讀入工字梁橋的命令流文件(如圖6 所示)。

圖6 工字梁橋參數修改

(2)完成參數的讀值及傳值。在讀取工字梁橋的命令流后，程序讀取命令流中的參數并將參數值傳遞到工字梁橋參數修改界面中。

(3)完成參數的接收、修改及返回。首先，在工字梁參數修改界面，完成參數的接收;然后，將參數值賦予textBox.Text;再次，在工字梁橋參數修改界面手動修改參數值，讀取參數值并返回工字梁橋功能界面;最后，完成參數的替換。在完成參數的修改后，系統會提示是否保存修改后的命令流并調用ANSYS 進行計算。

3 系統對ANSYS 的后臺調用

在完成數據修改工作并保存修改后的命令流之后，需要打開ANSYS 進行分析計算，最常用的方法是通過ANSYS. EXE 打開ANSYS，將命令流復制粘貼到ANSYS 的Command Window 中，然后回車開始運算。這里為了保持系統操作的流暢性并減少出錯的可能性，開發了自動后臺調用ANSYS進行分析計算的功能。ANSYS 提供了開放性開發功能，與其他軟件有良好的接口，可被其他軟件進行調用分析。

3.1 ANSYS 主程序的后臺調用和計算

在工字梁橋功能界面，點擊“保存文件并調入ANSYS 分析”按鈕，系統會提示保存修改后的命令流及結果文件，然后開始進行分析，其中，調用ANSYS 的關鍵語句如下所示:

同時，系統中添加定時器，判斷ANSYS 計算是否結束。

3.2 結果文件的生成及查看

在每種形式的橋梁通用模型命令流中，都預置了生成撓度文件和保存圖片的命令。其中需要保存的撓度包括跨中撓度和最大撓度2 種，分別對應標準檢測車荷載和重裝備荷載。保存的圖片包括實體模型圖、單元圖、三向應變云圖以及三向應力云圖。在計算完畢并執行后處理命令后，會在ANSYS 當前工作目錄下生成名為NAODU 的TXT 文件［3］，并生成圖片。

同樣以工字梁橋為例，點擊結果查看界面的撓度值按鈕，系統自動讀取NAODU. TXT，并顯示最大撓度和跨中撓度值;點擊結果圖按鈕，系統會提示選擇單元圖、三向應變云圖以及三向應力云圖進行查看，以豎向應變云圖為例，顯示圖片如圖7 所示。

圖7 工字梁橋豎向變形云圖

4 結 語

簡述了《危舊橋梁重裝備通過性檢測(仿真)評估系統》開發的關鍵技術，首先采用ANSYS 的參數化編程語言，編寫了中小跨度橋梁建模通用命令流，建立了橋梁通用模型;然后通過參數修改技術建立了現場實測橋梁模型并實現荷載自動施加;最后通過后臺調用ANSYS 技術實現了自動計算功能。通過該系統，可以快速計算重裝備荷載通過橋梁時產生的最大撓度值，對于快速判斷重裝備的中小跨度橋梁通過性，提供了有力的技術支撐。

［1］ 中國交通年鑒編輯部. 中國交通年鑒2010［M］. 北京:中國交通部，2010:12.

［2］ 劉錫鑫. 中小跨徑混凝土梁式橋重裝備通過性快速檢測評估技術研究［D］. 天津:軍事交通學院，2011:32-44.

［3］ 龔曙光，謝桂蘭. ANSYS 操作命令與參數化編程［M］. 北京:機械工業出版社，2003:42-44.