基于ANSYS Workbench 的連續(xù)剛構(gòu)邊跨現(xiàn)澆段支架有限元分析

■林榮光

（福建省交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督局，福州 350001）

1 工程概況

東溪特大橋上部構(gòu)造跨徑布置為95+180+95+3×30m，共分為兩聯(lián)。主橋95+180+95m 部分為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，引橋?yàn)?×30m 預(yù)應(yīng)力混凝土先簡(jiǎn)支后連續(xù)T 梁橋， 主橋邊跨現(xiàn)澆為24#梁段， 箱梁頂寬12.25m，底寬6.5m，高3.5m，C55 混凝土61.96m3。主橋邊跨現(xiàn)澆段采用三角托架作為現(xiàn)澆施工支承架，以左線3#墩現(xiàn)澆段作為分析對(duì)象進(jìn)行建模和分析計(jì)算。支承架在3#墩墩身預(yù)埋牛腿盒及孔道， 而后安裝牛腿、三角型支架作為現(xiàn)澆段的受力托架，牛腿、三角型支架中上部采用Φ32mm 的精軋螺紋鋼穿過(guò)預(yù)埋孔道，在橋墩墩身另一側(cè)錨固形成對(duì)拉，三角型支架上部布設(shè)6 根I40 工字鋼作為橫梁， 橫梁上部搭設(shè)φ48mm、δ3.5mm腳手管滿堂支架， 滿堂支架上方布設(shè)[]10 槽鋼縱梁及模板，如圖1。

圖1 現(xiàn)澆段支架構(gòu)造圖

2 建立有限元模型(前處理Model)

2.1 分析部位

由于對(duì)整個(gè)現(xiàn)澆段支架模型分析較繁瑣、復(fù)雜，對(duì)計(jì)算機(jī)處理能力要求較高，且三角型支架上部腳手管滿堂支架相對(duì)獨(dú)立，故對(duì)現(xiàn)澆段支架簡(jiǎn)化后僅分析型鋼支架部分，即I40 工字鋼橫梁以下部分。

2.2 模型建立

由于ANSYS 建模能力相對(duì)薄弱， 所以采用Auto-CAD 建立模型。

2.3 模型導(dǎo)入

模型導(dǎo)入之前，在ANSYS Workbench 中建立靜力結(jié)構(gòu)分析工程(Static Structural)， 利用ANSYS 與CAD軟件的接口進(jìn)行導(dǎo)入，輸入到ANSYS 中，如圖2。

圖2 導(dǎo)入ANSYS Workbench 模型示意圖

2.4 材料統(tǒng)計(jì)

模型導(dǎo)入后，對(duì)材料進(jìn)行屬性的編輯，支架材料如表1[1][2]：

表1 支架材料屬性表

材料選定后，在Engineering Data 中定義材料特性，完成后賦予到支架相應(yīng)構(gòu)件上。

2.5 網(wǎng)格劃分[3]

ANSYS Workbench 的網(wǎng)格劃分比較優(yōu)秀， 可以自動(dòng)修復(fù)模型導(dǎo)入過(guò)程中形成的破面缺陷， 在Model 模型中進(jìn)行所有構(gòu)件的網(wǎng)格劃分， 為保證計(jì)算機(jī)的處理能力及分析的質(zhì)量，應(yīng)該適度控制網(wǎng)格的尺寸，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元尺寸可定義為0.1～0.3m 之間， 現(xiàn)澆段支架網(wǎng)格劃分后如圖3。

圖3 支架網(wǎng)格劃分圖

3 支架的計(jì)算(求解過(guò)程Solution)

建模、定義材料特性及劃分網(wǎng)格后， 可以進(jìn)行模型的加載和計(jì)算。

3.1 支架模型邊界條件

由于現(xiàn)澆段支架整體錨固于橋梁墩身上，故假設(shè)墩身為剛體，從而定義模型的具體邊界條件。

(1) 錨固于墩身的15 根精軋螺紋鋼端部施加零位移約束，如圖4。

圖4 精軋螺紋鋼邊界條件

(2)牛腿嵌入墩身部分，牛腿與墩身接觸的水平面施加Y、Z 方向零位移約束，如圖5。

圖5 牛腿嵌入墩身部分邊界條件

(3)牛腿與墩身接觸的豎向面施加X(jué)、Y 方向零位移約束，如圖6。

圖6 牛腿與墩身接觸的豎向面邊界條件

3.2 支架荷載

(1)荷載值

支架本身的自重荷載在ANSYS Workbench 中有標(biāo)準(zhǔn)的重力加速度，自動(dòng)添加即可，不需單獨(dú)計(jì)算。

現(xiàn)澆段支架承受的外部荷載主要有箱梁混凝土、模板、翼板小支架、鋼管架及方木的自重，由于箱梁橫橋向結(jié)構(gòu)不同，荷載值相應(yīng)也不同，這部分荷載主要分為三個(gè)面：左側(cè)翼板下、箱梁中間部分、右側(cè)翼板下。施加荷載時(shí)要分段施加，荷載值計(jì)算如表2。

表2 荷載值計(jì)算表

(2)支架自重荷載加載

在ANSYS Workbench 中支架自重荷載加載利用Static Structural 中對(duì)整個(gè)支架加載Standard Earth Gravity，設(shè)置重力方向?yàn)?Z 方向即可。

(3)外部荷載加載

由于縱梁上均布荷載是分段的，需要在已知的受力平面上建立新的受力平面。

施加荷載前在Design Modeler 模式中使用草圖(sketching) 繪制出受力面積的邊緣， 加載Extrude 擠壓成面，然后進(jìn)入Model 模式中進(jìn)行荷載的施加。

首先施加支架縱梁中部荷載(箱梁中間部分)，如圖7。

圖7 支架縱梁中部荷載加載圖

下一步施加支架縱梁兩側(cè)荷載 (箱梁兩側(cè)翼板下)，如圖8。

圖8 支架縱梁兩側(cè)荷載加載圖

3.3 模型的求解及結(jié)果

(1)支架應(yīng)力

荷載及約束施加后，對(duì)模型進(jìn)行Solve(求解)過(guò)程，求解完成后在Solution 中添加Equivalent stress(等效應(yīng)力)及Total deformation(總變形)，查看等效應(yīng)力及位移云圖，各構(gòu)件及支架整體應(yīng)力如圖9。

圖9 支架在荷載作用下的應(yīng)力圖

根據(jù)等效應(yīng)力云圖，可查得支架各個(gè)部件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表3。

表3 支架各個(gè)部件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總表

(2)支架變形

根據(jù)總變形云圖，可查得邊跨現(xiàn)澆段支架總體位移最大值為14.9mm，支架總體位移變形如圖10。

圖10 支架在荷載作用下總體位移變形圖

3.4 計(jì)算結(jié)果的分析

通過(guò)ANSYS Workbench 有限元分析，連續(xù)剛構(gòu)橋邊跨現(xiàn)澆段支架在箱梁混凝土及其他周轉(zhuǎn)材料的荷載下，支架各部位的應(yīng)力均滿足容許應(yīng)力要求，支架的最大位移為14.9mm， 滿足施工使用要求。 具體施工時(shí)，在支架預(yù)壓消除非彈性形變后，根據(jù)有限元總變形計(jì)算結(jié)果，可對(duì)箱梁進(jìn)行預(yù)設(shè)拋高值，以防止支架的彈性形變使得箱梁標(biāo)高整體向下沉降，影響后續(xù)的邊跨合龍施工。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)東溪特大橋主橋3#墩邊跨現(xiàn)澆段支架計(jì)算分析，從計(jì)算結(jié)果可以看出現(xiàn)澆段支架中的部分構(gòu)件應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于容許應(yīng)力，造成了構(gòu)件加工時(shí)人工、材料及機(jī)械的浪費(fèi)。所以施工前，可以對(duì)部分構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并重新驗(yàn)算，在允許的安全系數(shù)下，滿足使用要求即可。

在進(jìn)行各種施工方案設(shè)計(jì)前， 可以利用ANSYS Workbench 等有限元分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)算復(fù)核， 檢查方案的可行性， 不合理的應(yīng)及時(shí)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而為排除安全隱患、控制施工成本、保證工程質(zhì)量、加快施工進(jìn)度提供有力的依據(jù)。

[1]GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

[2]GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[3]李兵.ANSYS Workbench 設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化.北京：清華大學(xué)出版社，2008.