基于ANSYS的连续刚构桥分析操作篇

一、工程背景…………………………………………………………1 二、工程模型…………………………………………………………1 三、ANSYS分析………………………………………………………2 (一)前处理………………………………………………………2 (1)定义单元类型……………………………………………2 (2)定义材料属性……………………………………………3 (3)建立工程简化模型………………………………………3 (4)有限元网格划分…………………………………………5 (二)模态分析……………………………………………………5 (1)选择求解类型……………………………………………5 (2)建立边界条件……………………………………………6 (3)输出设置…………………………………………………6 (4)求解………………………………………………………6 (5)读取结果…………………………………………………6 (6)结果分析…………………………………………………8 (三)结构试验载荷分析…………………………………………8 (1)第二跨跨中模拟车载分析………………………………8 (2)边跨跨中模拟车载分析…………………………………9 四、结果分析与强度校核……………………………………………10 (一)结果分析……………………………………………………10 (二)简单强度校核………………………………………………10 参考文献…………………………………………………………………11

连续刚构桥分析

一、工程背景：

随着我国经济的发展，对交通运输的要求也不断提高；高速路，高铁线等遍布全国，这就免不了要架桥修路。截至2014年年底，我国公路桥梁总数已达75.71万座，4257.89万延米i。进百万的桥梁屹立在我国交通线上，其安全便是头等大事。随着交通运输线的再扩大，连续刚构桥跨越能力大，施工难度小，行车舒顺，养护简便，造价较低等优点将被广泛应用。

二、工程模型：

现有某预应力混凝土连续刚构桥，桥梁全长为184m，宽13m，其中车行道宽11.5m，两侧防撞栏杆各0.75m主梁采用C50混凝土。桥梁设计载荷为公路——级。

图2-1桥梁侧立面图

上部结构为48m+88m+48m三跨预应力混凝土边界面连续箱梁。箱梁为单箱双室箱形截面，箱梁根部高5m，中跨梁高2.2m，边跨梁端高2.2m。箱梁顶板宽12.7m,底板宽8.7m,翼缘板悬臂长2.0m，箱梁高度从距墩中心3.0m处到跨中合龙段处按二次抛物线变化。0号至3号块长3m（4x3m)，4、5号块长3.5m(2x3.5m)，6号块到合龙段长4m(6x4m)，合龙段长2m。边跨端部设1.5m横隔板，墩顶0号块设两道厚1.2m横隔板。0号块范围内箱梁底板厚度为0.90m，1号块范围内底板厚度由0.90m线性变化到0.557m，2号块到合龙段范围内底板厚度由0.557m线性变化到0.3m。全桥顶板厚度为0.3m。0到5号块范围内腹板厚度为0.6m，

6至7号块范围内腹板厚度由0.60m线性变化到0.40m，8号块到合龙段范围内夫板厚度为0.4m。

下部结构桥采用C50混凝土双薄壁墩，横向宽8.7m，厚1.2m，高25m双壁间设系梁，下设10mX10m矩形承台，厚3.0m。

ii

图2-2主梁纵抛面图

图2-3 箱梁截面图

三、ANSYS分析： （一）前处理 (1)定义单元类型

Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete... 选择Solid45单元；

(2)定义材料属性

Main Menu→Material Props→Material Models... 依次选择Structural→Linear→Elastic→Isotropic建立材料模型C50混凝土的

EX=3.45e10;PRXY=0.2;再打开Structural→Density设置C50混凝土的密度Density=2600。iii

（3）建立工程简化模型 建立0号块：

Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→In Active CS...在对话框中输入0号块半截面的关键点坐标1(0,0,0); 2(0,0,12.7/2);3（0，-0.3，12.7/2);4(0,-0.3,12.7/2-2);

5(0,-0.3,12.7/2-2-0.6);6(0,-0.3,0.3)；7(0,-5,0)；8(0,-5,4.35)；9(0,-5+0.9,0.3)；10(0,-5+0.9,4.35-0.6)

Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→↗Straight Line 顺次连接关键点1,2,3,4,7,8,1;6,7,9,10,6；

Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→↗Line Fillet分别选中箱梁内部四个四个直角需要倒角的直线以0.3的半径倒圆角；并在翼缘板根部以0.1的半径倒圆角，再连接翼缘边线下点与鱼倒圆角的下点，使翼缘板呈一定倾角，再次在翼缘板根部以0.2的半径倒圆角。

Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→↗By Lines分别拾取箱梁截面的内外轮廓线建立两个平面。

Main Menu→Preprocessor→Modeling→Operate→Booleans→Subtract→↗Areas，先拾取面积大的平面Ok后拾取另一平面最后确定，到此建立了0号块半截面。

打开工作平面并激活工作平面，打开工作平面助手(Offset WP)将工作平面移动到x=-3处。

重复上述建模过程，建立0号块另一截面，Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→↗Straight Line依次连接对应节点；Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→↗By Lines依次建立0号块各个面。

Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→volunmes→Arbitrary→↗By Areas点击Pick All建立0号块。

建立主梁底面：

用工作平面助手将工作平面移动到11号块便截底线中心（x=-33-3-1,y=-2.2，z=0);

Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→In Active CS...在对话框中输入主梁中心底线关键点坐标(x=x+4,5@4,,3@3;

y=-(5-2.2)*x*x/4/4;z=0)。

Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Splines→↗Splines thru KPs,依次连接各点。

Main Menu→Preprocessor→Modeling→Copy→↗Lines复制主梁底面中心线到边线位置（z=4.35）。

Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→↗Straight Line连接11号块截面底线。

Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→↗By Lines建立主梁底面。

建立1号块：

将工作平面移动到整体坐标系，再移动到1号块另一截面（x=-6),将工作平面绕Y轴旋转90度。

Main Menu→Preprocessor→Modeling→Operate→Booleans→Divide→↗Area by WrkPlane,拾取主梁底面，分离出1号块底面。

Utility Menu→Select→Entities......用By Location→Z coordinates（min=0,max=3)选出1号块范围内的点、线、面。

仿照建立0号块的过程建立1号块； 仿照建立1号块的过程建立其余箱梁块。 建立桥墩：

将工作平面移动到0号块底面中心角点(方向与整体坐标系一致)；在0号块底面建立1.2x4.35的矩形面；Main Menu→Preprocessor→Modeling→Operate→Extrude→Areas→↗By XYZ Offset，将所建立的矩形向Y轴负方向拉伸25m（y=-25）。

将工作平面移动到桥墩右边面边线中点，Main Menu→Preprocessor→Modeling→Volumes→Block→By Dimensions，建立一个2.8x2x4.35m^3的矩形块系梁。

将工作平面移动到桥墩底面角点，建立5x5x3m^3的矩形块承台。 在需要倒角处建立倒角平面，并由面围成体。 建立1/4桥模型：

将工作平面移动到整体坐标系上；以X平面镜像所有体生成中跨。将中跨11号块截面拉伸1m，将边跨11号截面拉伸2+0.96+0.54+1.44m。

图3-1 1/4桥梁三维模型图 图3-2 全桥三维立体图

（4）有限元网格划分

Main Menu→Preporcessor→Meshing→Mesh Tool...在Size Control中的Global Set总体单元尺寸定为0.5；在Mesh中选择Volunmes，Shape设置为Hex→Sweep→Auto Src/Trg对主梁1号块到合龙段进行网格划分；对分割后的墩柱进行映射网格划分，对剩下的0号块和桥墩承台、系梁等用自由网格划分。

图3-3 1/4桥网格三维立体图

（二）模态分析

（1）选择求解类型

Main Menu→Solution→Analysis Type→New Analysis选择Modal。单击OK按钮退出。然后执行Main Menu→Solution→Analysis Type→Analysis Options，打开模态分析选项设置对话框，选择Subspace（字空间法），设置扩展模态数为10，其它保持默认设置。

（2）建立边界条件

将工作平面移动到整体坐标系，选出对称截面（z=0)Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Displacement→Aymmmetry B.C.→↗On Areas，单击Pick All。

将工作平面移动到桥墩承台底面，选择出承台底面，执行Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Displacement→↗On Areas，约束底面所有自由度。

将工作平面移动到边跨底面，选出底面0到1.5m内的所有节点，执行 Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Structural→Displacement→↗On Nodes，约束节点UY。

（3）输出设置

执行Main Menu→Solution→Load Step Opts→Output Ctrrls→DB/Results File 设置输出所有结果。

执行Main Menu→Solution→Load Step Opts→ExpansionPass→Single Expand 确认扩展模态数。

（4）求解

保存设置，执行Main Menu→Solution→Solve→Current LS求解。 （5）读取结果

执行Main Menu→General Postproc→Read Results→By Pick读取各阶桥梁振型。

执行Main Menu→General Postproc→Plot Results→Cotour Plot→Nodal Solu。读取Nolal DOF Solution→Diaplacement vector sum察看各阶振型。

图3-4 桥梁前10阶频率

图3-6 半桥第二阶振型

图3-8 全桥第七阶振型

图3-10 全桥第九阶振型

图3-5 全桥一阶振型

图3-7 全桥第四阶振型

图3-9 半桥第八阶振型

图3-11 全桥第十阶振型

（6）结果分析

有ansys模态分析结果显示，全桥前几阶固有频率都比较小，振型呈一定规律；奇数阶振动主要发生在桥梁横向，位移较大点主要集中在桥墩中点截面（系梁处）；偶数阶振动主要发生在主梁，位移最大主要集中在边跨、中跨合龙段，这些地方距离桥墩约束较远，为了减轻自重，箱梁厚度也较小，所以位移较大也不难理解。另外，模态分析结果显示，桥梁的前十阶振型最大位移量均不超过2mm，桥梁结构相对稳定。 （三）结构试验载荷分析

桥梁静载试验荷载采用汽车加载。本试验加载用车为大型载重汽车，其中单辆车总重为480kN（前轴重80kN，后轴重160kN,前中轴距为3.5m，中后轴距为1.3m）。iv

（1）第二跨跨中模拟车载分析

选择求解类型为静态分析，建立与模态分析相同的边界条件；然后，选择出中跨11号块和合龙段，执行Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Force/Moment→↗On Nodes模拟双车道车距5m大型载重汽车荷载，其中单辆车总重为480kN（前轴重80kN，后轴重160kN,前中轴距为3.5m，中后轴距为1.3m）该模型为半桥对称模型，双车道。如图3-11：

图3-12 半桥中跨车载

保存设置，执行Main Menu→Solution→Solve→Current LS求解。读取结果，查看车载下位移、应力图。

图3-13 全桥中跨模拟车载变形图 图3-14 全桥中跨模拟车载应变图

图3-15 全桥中跨模拟车载应力图

（2）边跨跨中模拟车载分析

选择求解类型为静态分析，建立与模态分析相同的边界条件；然后执行，执行Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Force/Moment→↗On Nodes模拟双车道车距5m大型载重汽车荷载，其中单辆车总重为480kN（前轴重80kN，后轴重160kN,前中轴距为3.5m，中后轴距为1.3m）该模型为半桥对称模型，双车道；每条车道模拟两辆大型载重汽车，且反向（使中跨受力最大）。 保存设置，执行Main Menu→Solution→Solve→Current LS求解。读取结果，查看车载下位移、应力图。

图3-16 全桥边跨中跨模拟车载图 图3-17 全桥边跨跨中模拟车载应力图

图3-18 全桥边跨跨中模拟车载应变图 图3-19 全桥边跨跨中模拟车载位移图

四、结果分析与强度校核： （一）结果分析

由模态分析结果显示，桥梁结构相对稳定；对于结构实验载荷分析，虽然输出桥梁位移最大达到0.02m，但原因是由于桥梁跨度较大的累积位移，其应变最大仅约为0.24mm。值得注意的是，应力应变最大的地方均不在模型外表面，可能出现在内表面的角点处，或其他应力集中的点。另外边跨实验和中跨实验存在一定规律：对于相同的实验载荷，中跨实验位移较大，盈利应变较小，边跨实验正好相反：说明中跨实验的载荷作用范围较广，宏观上主要产生位移；边跨实验载荷影响范围较小，主要产生应变。 （二）简单强度校核

由结构实验载荷分析输出结果

[]max0.801e7Pa

由C50混凝土抗压强度

50e6Pa

可得安全系数

nb506.243.5 8.01符合材料力学中脆性材料对安全系数要求。

至于桥梁抗拉强度校核，则取决于混凝土中加筋比例。

参考文献

i 《对我国桥梁技术发展战略的思考》，冯正霖 2015年05月20日

ii 《MIDAS与ANSYS在桥梁检测中的应用实例》P110（为方便建模，略有修改）， 主编 王兴奎 ，2015

年9月

iii JTGD62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁涵设计规范，中华人民共和国交通部，2004年6月28

iv JTG D60-2015 公路桥涵设计通用规范，中华人民共和国交通部，2015年09月09日。