基于Midas/Civil的異形變寬橋參數化建模探究

郭丁，方詩圣，莫安生，黃從俊

（1.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2.合肥市市政設計院有限公司，安徽 合肥 230041；3.合肥市規劃設計研究院，安徽 合肥 230041）

基于Midas/Civil的異形變寬橋參數化建模探究

郭丁1，方詩圣1，莫安生2，黃從俊3

（1.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2.合肥市市政設計院有限公司，安徽 合肥 230041；3.合肥市規劃設計研究院，安徽 合肥 230041）

隨著城市交通量的日益增加，城市立交的興起有效解決了城市道路擁堵的問題。城市立交梁橋一般采用變寬、分叉等異形結構，結構往往依據道路線型進行設計。針對該種異形結構，單梁計算模型已經不能滿足計算精度的需要，為此采用梁格法進行分析。文章基于 MIDAS/Civil在梁格法中對異形橋前處理部分的薄弱，提出城市立交異形混凝土梁橋參數化建模方法，利用C/C++編程語言編寫城市立交異形橋建模助手程序，將橋梁參數批量寫入程序，然后導入到MIDAS/Civil中進行計算，能夠有效減少工作時間，提高設計效率。

異形橋；梁格法；MIDAS/Civil；前處理；C/C++

0 前 言

參數化建模，是將一組約定的參數與設計對象的特征幾何參數聯系起來，在進行梁體構造特征設計時，只需按照設計思想給出多組特征參數即可得到相應的連續幾跨橋的各個方位的結構圖。參數化建模是提高結構設計分析全過程的有效途徑，將結構的模型信息簡化成有限的參數進行建模，能夠大大減少前處理所花費的時間，提高設計效率［1-2］。

目前針對異形橋梁，工程中采用的主要研究方法是有限元法，按其不同的離散形式可以分為空間梁單元法、空間板單元法、實體單元發以及梁格法［3-4］。一般設計人員所采用的方法主要是空間梁單元法和梁格法，在單箱多室箱梁計算中，梁格法可以得到比單梁模型更精確的結果［5］。

目前在實際工程中針對異形橋的主要建模途徑是利用 CAD與 CAE之間的交換文件進行模型的建立，如AUTOCAD的DXF文件，這種操作方法建模直觀、準確性高，但是應用起來操作不方便，當下的計算軟件如橋梁博士、MIDAS/Civil等，在前處理方面對該種橋型在梁格法方面并沒有給予太多的支持，只能依靠交換文件方式進行建模，這種建模方式需要進行大量的重復勞動，耗時長、易出錯，因此，亟需開發一個程序代替這種方式進行參數化建模。

1 參數分類

針對該種異形橋梁結構，選取其中相對較有特點和共性的梁橋進行研究，提取具有代表性的參數，在平面線型中分為等寬、單側變寬、雙側變寬等橋型，豎向采用等高度箱梁，其中，等寬橋在分類上并不屬于異形橋，但是為了驗證程序的準確性及普適性，從等寬橋開始做起，然后逐步加大或減少箱梁寬度，變換成單側變寬及雙側變寬類型。本文將以變寬橋為例，分析參數化建模的具體方法，并進行參數分類。

如圖1所示，單側變寬的平面布置，其中一側腹板的在沿橋縱向上呈直線型，另外幾條腹板沿橋向呈曲線變化，根據實際情況，橋梁線型一般根據道路線型擬定，在這里一般采用直線+圓曲線的組合方式，其中，各個參數所表示的含義如圖1所示。

圖1 變寬示意圖

其中，各個參數的含義如下，箱梁寬度由B0過渡到Bn，橋梁總長為L，分跨長度分別為L1、Li、Ln，變寬點距離左側箱梁截面為L0，以單箱三室為例，箱室寬度分別為b1、b2、b3，進過變化后分別為d1、d2、d3，腹板寬度取值fb，懸臂長度取值b0，以上為平面參數，但是僅僅依靠平面參數并不能完全確定整個橋梁的模型，因此還需要截面參數。

圖2所示，即為箱梁的截面參數。

在平面參數中已經提到的以外，還有一些截面參數：

h1是懸臂端厚度，懸臂板程序默認成直線變化，中間無折點，厚度從h1變化到h2，h2作為懸臂根部厚度。h3、h4分別為頂底板厚度，箱室上倒角寬和高分別為a1和c1，箱室下倒角分別是a2和c2。

圖2 截面參數示意

2 基于MIDAS/CIVIL的程序設計

2.1 MIDAS/CIVIL簡介

MIDAS/Civil是針對橋梁結構設計計算的大型有限元分析軟件，該軟件直觀、簡潔，功能強大。MIDAS/Civil并沒有針對城市立交異形橋提供建模助手工具，目前在MIDAS/Civil中進行異形橋的建模只能通過 AutoCAD所生成的 DXF文件，然后導入到MIDAS/Civil中，生成節點和單元，然后賦予截面、邊界等其他信息，這種方法需要借助AutoCAD，操作起來較麻煩，而且結構需要改動時，需要在AutoCAD中重新修改，用起來十分繁瑣。

2.2 MCT文件簡介

MIDAS/Civil的數據文件“MIDAS/Civil Text”，簡稱是“MCT”文件，MCT文件包含了模型的所有信息，包括節點、單元、邊界條件等所有結構數據，在MIDAS/Civil圖形用戶界面（GUI）中輸入的所有信息，在MCT中均有反映，在MCT文件中，各種信息以不同的形式存儲在文件中。

MIDAS/Civil并未提供參數化設計語言，只能通過另外的方法來實現MIDAS/Civil中的參數化建模。通過對MCT文件格式的研究，可以利用C/C++程序編制MCT文件生成軟件，并開發相應的交互界面，通過輸入少量的參數，完成異形橋的參數化建模，并導入到MIDAS/Civil中，在完善相關信息之后，完成城市立交異形橋的建模。

2.3 城市立交異形橋建助手程序開發

C++是在 C語言基礎上開發的一種通用編程語言，它的優點是支持多種編程范式—面向對象編程、泛型編程和過程化編程，而且C++語言靈活，運算符的數據結構豐富、具有結構化控制語句、程序執行效率高。

首先建立程序框架，根據需要輸入的參數建立程序界面，主要可以分為基本參數、主體參數、橋跨分割參數及箱室參數幾大類。根據輸入的梁體參數信息，在程序中進行MCT文件的生成，在程序開發過程中，主要是按照節點—單元—截面等信息依次進行輸入，完成城市立交異形橋建模助手的開發。

3 工程實例分析

3.1 工程總體信息

某城市立交主線變寬橋，橋跨信息為3×30m預應力連續梁橋，采用等高度箱梁，梁高 2.2m，單箱三室截面，橋面寬度從20.05m逐漸變化到16.25m，等寬段長度為50m，曲線段腹板線型采用圓曲線。在程序中自動劃分梁格，各個腹板對應的縱梁分別定義為縱梁一、縱梁二、縱梁三、縱梁四。如圖3所示為橋梁腹板中心線走向圖。下面結合開發的城市立交異形橋建模助手，在 MIDAS/CIVIL中建立該橋梁計算模型。

圖3 橋梁布置示意圖

3.2 參數輸入

①梁體參數輸入，在MIDAS/Civil中，首先要建立節點和單元，分別輸入橋梁的三跨信息，頂板厚度為0.22m，頂板厚度由0.42m變化到0.22m，腹板厚度由0.65m變化到0.35m，在建模時做以下近似處理，頂底板厚度取0.22m，腹板寬度取0.35m。

②在程序界面中輸入各項參數，點擊“單側變窄橋輸入”按鈕，可以生成該橋的MCT文件，然后將此MCT文件導入到MIDAS/Civil中，完成梁體模型的創建。如圖4所示是模型參數輸入窗口，如圖5所示是導入到MIDAS/Civil中顯示的模型。

3.3 結果對比

梁體參數導入到MIDAS/Civil中，進行計算分析，并與單梁模型進行比較。首先進行支座反力的比較，支座布置形式如圖3所示，在自重荷載作用下，各個支座及橫梁所承受的支座反力如圖6所示。

單梁模型和梁格模型的支座反力有較大差別，原因是在單梁模型只能模擬出一根曲線縱梁，無法準確模擬曲線內側和外側的支座受力，而梁格法則可以較精確的計算，由每個橫梁所承受的反力情況來看，程序所生成的模擬和原模型差別很小，說明梁格法能夠更好地模擬支座受力的實際情況。

圖7是單梁模型與梁格模型的跨中彎矩數據對比。

圖4 參數輸入界面

圖5 MIDAS/CIVIL梁體模型（渲染后）

圖6 支反力計算數值柱狀圖（單位：kN）

圖7 跨中彎矩計算結果柱狀圖（單位：kN m）

由圖7，梁格總彎矩與單梁彎矩相差不大，在5%左右浮動，由于單梁模型采用平截面假定，并不能完全反應出各個腹板的受力狀態，梁格模型能夠輸入各個腹板的受力狀態，相比單梁模型具有更高的精度。

3.4 建模時間對比

根據統計，對該種橋型，采用手工建模的時間與采用該軟件所用的建模時間，在只進行前處理部分的情況下的所需時間對比，由圖8可以看出，使用該前處理軟件大大縮短了建模所需的時間，具有一定的實踐意義。

圖8 建模時間對比柱狀圖

4 結 論

①采用該異形橋建模助手在MIDAS/Civil中建立有限元模型，能夠將復雜的建模簡化為有限的參數，建模方式簡單易操作。

②該異型橋建模助手具有較好的精度，能夠輸出各個腹板的受力狀態，在分析變寬形異形橋時可優先采用。

③經實踐，該異形橋建模助手能夠有效簡化建模步驟，減少建模時間，據統計，對于該種異形結構的建模時間能夠縮短50%以上，能夠將設計人員從復雜的模型中解放出來，大大提高了設計效率。

［1］原軍鋒，孫林夫.面向方案的箱型截面梁體結構參數化建模探討［J］.計算機應用，2000（20）：89-90.

［2］陳明，胡世德.基于知識的橋梁參數化建模［J］.工程圖學學報，2011（5）：1-9.

［3］陳鵬，季文玉.異形橋整體設計［J］.中國鐵道科學，2006，27（1）：48-52.

［3］［日］伊藤學.橋梁造型［M］.劉健新，丕莊，譯.北京：人民交通出版社，1998.

［4］［美］漢勃利E.C..橋梁上部結構性能［M］.郭文輝，譯.北京：人民交通出版社，1982.

［5］劉明.梁格法在單箱多室曲線梁橋受力分析中的應用［J］.湖南交通科技，2015（2）.

U442.5

A

1007-7359（2016）02-0103-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.036

2014年度安徽省建設行業科學技術計劃項目（軟科學及科研開發項目）（編號：2014YF-11）。

郭丁（1989-），男，江蘇徐州人，合肥工業大學土木與水利工程學院在讀碩士，研究方向：城市道路與橋梁。