某匝道桥有限元仿真分析.pdf

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1、研究与探讨广东建材2010年第5期某匝道桥有限元仿真分析黄毅东(广东省公路勘察规划设计院有限公司)摘要：有限元仿真分析是随着计算机软硬件技术的快速发展而发展起来的-N工程技术，是未来结构设计与分析的发展力．向。随着计算机软硬件技术的快速发展，利用个人计算机进行结构高层次的仿真分析逐渐成为可能。本文针对高赞人桥的实际情况，尝试利用个人计算机进行全桥全块体单元模型的第三层次仿真分析，分析中考虑该桥的施工过程、二期调索以及后期的收缩徐变效应。高精度的分析结果除有效地指导了设计工作外，也说明了利用个人计算机进行结构高层次的仿真分析已经成为现实。关键字：仿真分析；梁格法：块体单元；施工

2、过程；收缩徐变1前言该匝道桥是广深沿江高速上的一座异型两跨连续梁桥，全桥结构简图如图l所示。图1某匝道桥结构简图由于该匝道桥结构的特殊性，采用传统设计中的平面杆系模型已经不能够满足精度的要求，必须引入三维空间的分析方法。在本文中，主要采用梁格法建立模型，并采用块体模型对其进行校核。该匝道桥仿真分析的目的是了解和校核该桥的三维应力状况，为该桥的设计工作提供可靠的数据支持，指导设计工作，并且与梁格模型的计算结果与其对比。具体工作内容是：(1)计算丰梁顺桥向应力沿纵桥向的分布，校核第一层次的计算结果(包括施工过程、调索过程以及后期收缩徐变效应的结果)，并指导顺桥向设计；(2)计算主

3、梁横桥向应力沿横桥向的分布，校核和指导主梁横向设计：(3)计算并检查主桥与匝道桥交叉处应力状况。下文将对该匝道桥的仿真分析工作进行详细讨论。2粱格法的建模一16—2．1粱格法的基本原理2．1．1纵向弯曲如图2所示，主梁的纵向刚度是将上部结构沿格室中央切开划分成工字梁，然后绕整体上部结构的主轴来计算的。然而对于边梁顶板是远宽于底板的，而这样划分横截面所给出的梁，其横截面是不合理的。但是，在这种情况下，虽然精度受到损失，上部结构沿纵向梁格之间对中切开，仍是合适的。2．1．2横向弯曲如图3所示的横向弯曲，是顶板和底板一致地绕它们的共同重心的水平中性轴而弯曲，如同有一剪力刚性腹板将它

4、们连接一样，不计入顶板和底板单独弯曲所导致的格室的扭转变形。龌秒图2主梁沿格室中央图3横向弯曲切开分成工字梁横向梁格单位长度的惯性矩按式l计算：it=(h，2d’+h”2d咔器(式1)2．1．3扭转分格式上部结构作整体扭转时，环绕板和腹板呈现向上和向下的剪力流网路。总的扭矩是由纵向构件的扭矩和一部分上部结构两侧的相反剪力流构成。一根纵向或横向梁格构件的抗扭刚度等于构件所代表的顶板和底板刚度，抗扭常数按式2计算：广东建材2010年第5期研究与探讨c=2(h，2d，+h”2d”)：等％*(式2)～u。u，2．2全桥结构粱格模型由于该匝道结构特殊，不宜采用平面梁单元及空间单梁模型进

5、行模拟计算。在此，通过刚度等效的方法，即梁格法的基本原理对全桥结构进行离散，根据实际施工过程和施工方案划分施工阶段，进行荷载组合，求得结构在施工阶段和运营阶段时的应力、内力和位移；按规范中所规定的各项容许指标，验算主梁是否满足结构承载力要求，材料强度要求和结构的整体刚度要求。该桥梁格模型在Midas软件中建模，模型共包含单元503个，节点298个。梁格模型如图4所示：图4全桥结构梁格模型3粱格法模型的校核3．1校核方法3．2全桥结构有限元块体模型由于该桥为两跨一连的连续梁桥，总体规模不是很大，在采用块体建立全桥仿真分析上基本不存在计算时间长的障碍，为保证计算精度，确定单元尺寸

6、为0．6m，局部尺寸可根据具体情况西化调整。基于高性能的计算平台，计算一个工况的时间约为6分钟。根据以上原则，该桥在ANSYS软件中建立有限元模型，全桥混凝土部分采用块体单元(SOLIDl87)，纵向预应力钢束采用三维杆单元(1inklO)。模型共包含单元41006个，节点76842个。模型的自由度为230526个。全桥结构模型如图5、图6所示。图5全桥结构有限元块体模型图6全桥结构有限元块体模型的是盆式橡胶支座，盆式支座以较大的刚度约束梁体的位移而放松对转动的约束，故根据支座约束条件，模拟在墩顶设置横、纵、竖三维抗压、抗剪的大值，各方向抗弯的小值。如GPZ(II)3DX(约

7、束横桥向位移)，SOx=SDz=+oo，SDy=O，而SRx=SRy=SRz=0的一个弹性连接。3．3校核工况根据设计要求，该匝道桥用于校核的荷载工况包括永久作用，可变作用。3．3．1永久作用考虑全桥混凝土结构自重以及桥面铺装；支座沉降为5mm。3．3．2活载工况根据设计要求，对若干断面进行活载最不利布置，布置方法根据《公路桥涌设计通用规范》(2004-10-1版)。其中块体模型中汽车活载的影响线由Midas软件自带的影响线跟踪器得出。该桥荷载计算典型工况如表l所示。工况名称工况说明ZTWC整体温差(混