剛構(gòu)橋自重效應(yīng)二維仿真分析

盛超SHENG Chao；蔣夢雅JIANG Meng-ya；劉雪君LIU Xue-jun；黃勇HUANG Yong

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，徐州221116）

0 引言

道路橋梁工程的建設(shè)，對國民經(jīng)濟的發(fā)展發(fā)揮著重大作用。橋梁是道路的重要組成部分，橋梁建設(shè)中，無論是在橋梁設(shè)計還是在橋梁施工過程中，橋梁計算都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。隨著有限單元法及計算機技術(shù)的發(fā)展，橋梁電算在橋梁計算中獲得的廣泛的應(yīng)用，橋梁的仿真分析計算使橋梁計算更加的方便快捷。橋梁仿真分析計算，有專業(yè)計算軟件和通用軟件。ANSYS 是一款大型通用有限元分析軟件，已經(jīng)成為機械、交通運輸、土木建筑等眾多領(lǐng)域設(shè)計分析和技術(shù)交流的平臺，該大型通用軟件主要由前置處理、解題程序以及后置處理等組成[1-5]。橋梁的跨越能力有很大部分被橋梁自重消耗，科學(xué)便捷的計算橋梁自重效應(yīng)對橋梁建設(shè)有著重要意義。本文以某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋的自重效應(yīng)二維仿真分析為例，闡明了剛構(gòu)自重效應(yīng)二維仿真分析建模技巧、數(shù)據(jù)提取及仿真分析中應(yīng)注意的問題。

1 工程概況

某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，設(shè)計荷載為公路-I 級，設(shè)計基準期為100年，設(shè)計安全等級為一級，環(huán)境類別為Ⅱ類；上部結(jié)構(gòu)采用35m＋60m＋90m＋60m＋35m 變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，梁高由主跨的跨中及直線段的2.0m 至主跨墩頂?shù)?.0m，按二次拋物線變化，下部結(jié)構(gòu)的主墩為雙薄壁式墩，邊墩為板式橋墩，該橋總體布置如圖1 所示。

圖1 剛構(gòu)橋總體布置圖（單位：cm）

2 有限元仿真分析

橋梁結(jié)構(gòu)的有限元仿真分析，首先必須建立有限元模型，模型建立的準確程度，對仿真分析結(jié)果的可靠性發(fā)揮著關(guān)鍵作用。進行橋梁結(jié)構(gòu)建模的時候，可以采用人機交互輸入的方法，這種方法適用于較為簡單的結(jié)構(gòu)以及初學(xué)者，對于較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也可采用命令流輸入建立模型，也可以采用人機交互輸入以及命令流輸入兩種方式結(jié)合的方法建立模型。采用哪種方式，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的實際情況以及學(xué)習(xí)者或研究者的習(xí)慣而定，筆者認為，利用命令流的方式便于檢查，條理較為理順，所以本例采用命令流的方法建立模型。

ANSYS 提供了豐富的單元類型，可以根據(jù)分析的目的，選取不同的單元類型來模擬相應(yīng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，例如橋梁結(jié)構(gòu)中的纜索、吊桿等構(gòu)件，常用桿單元進行模擬，對于主塔、主梁等構(gòu)件則可以采用兩單元或者殼單元進行模擬[5]，至于選擇那種單元，還要結(jié)合單元庫中該單元的特性綜合考慮來定。進行橋梁自重效應(yīng)二維仿真分析，本研究選取的單元類型為plane2，該單元是2 維6 節(jié)點三角形實體結(jié)構(gòu)單元，具有塑性、蠕變、輻射膨脹、應(yīng)力剛度、大變形以及大應(yīng)變的能力。需要說明的是ANSYS 經(jīng)歷多年的發(fā)展，有些舊版本中的單元類型在新版本中不再顯示，但是仍然能用。

有限元模型建好之后需要進行有限元模型網(wǎng)格劃分，常用的兩種網(wǎng)格劃分方法是映射網(wǎng)格劃分和自由網(wǎng)格劃分，進行網(wǎng)格劃分后，施加約束的有限元模型如圖2 所示。

圖2 施加約束后的有限元模型

在橋梁各墩臺施加約束后，就可以進入求解器求解計算求得自重效應(yīng)，求解結(jié)構(gòu)自重效應(yīng)可以通過兩種方式實現(xiàn)，一種方式是將結(jié)構(gòu)自重看作荷載施加在結(jié)構(gòu)上，如果結(jié)構(gòu)是等截面的，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)截面積和材料容重算出每米長度的結(jié)構(gòu)自重，然后作為荷載施加在結(jié)構(gòu)上；另一種方法是建模的時候在前處理器中定義材料密度，對結(jié)構(gòu)施加重力加速度，以此來求得結(jié)構(gòu)自重效應(yīng)。本研究的連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)是變截面梁，所以采用第二種方法可以使計算便捷。本研究求解后，可以利用后處理器求得結(jié)構(gòu)重力作用下的變形圖，在重力作用下的變形如圖3 所示。

圖3 剛構(gòu)橋自重作用下的變形

求解之后，在后處理器中，還可以求得各節(jié)點的豎向位移，可以用記事本的方式將各節(jié)點豎向位移輸出，本項目研究的剛構(gòu)橋的中跨跨中豎向位移、次邊跨最大豎向位移、邊跨最大豎向位移提取整理后如表1 所示。

表1 剛構(gòu)橋各跨最大豎向位移 單位：cm

將表1 自重作用效應(yīng)引起的剛構(gòu)橋各跨最大豎向位移值繪制成圖，如圖4 所示。

通過表1 和圖4 可知，在自重作用效應(yīng)下，剛構(gòu)橋最大豎向位移發(fā)生在中跨的跨中，次邊跨的最大豎向位移小于中跨的跨中豎向位移，邊跨最大豎向位移小于次邊跨最大豎向位移。

圖4 自重效應(yīng)下剛構(gòu)橋各跨節(jié)點最大豎向位移對比圖

通過后處理輸出次邊跨位移，可以求得次邊跨位移最大值發(fā)生在第30344 號節(jié)點，該節(jié)點不在該梁的次邊跨的跨中，而是位于距離梁端57.143m 處；邊跨最大唯一發(fā)生在第44974 號節(jié)點，該節(jié)點位于距離梁端16.66m 處，而不是位于邊跨的跨中；這是因為該橋是超靜定結(jié)構(gòu)，對于簡支梁而言，最大彎矩和最大位移發(fā)生在各跨的跨中，而對于超靜定結(jié)構(gòu)，由于支點負彎矩的存在，使得邊跨和次邊跨的最大豎向位移就不是發(fā)生在跨中，從這方面而言，也印證了該仿真分析的正確性。

3 結(jié)語

通過對剛構(gòu)橋自重效應(yīng)二維仿真分析可以得出以下結(jié)論：

①利用大型通用軟件ANSYS 可以進行剛構(gòu)橋自重效應(yīng)二位仿真分析計算，正確的建模和單元選取對仿真分析至關(guān)重要。

②剛構(gòu)橋自重效應(yīng)引起的橋梁豎向位移最大值發(fā)生在中跨的跨中，次邊跨豎向位移小于中跨的跨中豎向位移，邊跨豎向位移又小于次邊跨豎向位移。