摘要：采用得到廣泛應(yīng)用的ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件，建立某連續(xù)梁拱橋成橋階段仿真分析模型，分析結(jié)構(gòu)在二期鋪裝以及活載作用下穩(wěn)定性問題以及結(jié)構(gòu)整體受力狀況。計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)在成橋狀態(tài)穩(wěn)定性滿足要求，應(yīng)力與撓度在規(guī)范允許范圍之內(nèi)，說(shuō)明ANSYS在結(jié)構(gòu)仿真分析計(jì)算中能得到良好的應(yīng)用。
　　關(guān)鍵詞：ANSYS，連續(xù)梁拱橋，仿真分析，穩(wěn)定性
　　仿真分析計(jì)算作為有限元分析的一種手段，憑借其在橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算中體現(xiàn)出的快速準(zhǔn)確的特點(diǎn)，結(jié)合大量商用專業(yè)橋梁分析軟件應(yīng)用到橋梁設(shè)計(jì)與施工監(jiān)控中，為橋梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)與安全施工提供了極大的助力。本文應(yīng)用ANSYS軟件建立某大跨連續(xù)梁拱橋的空間桿系模型，真實(shí)模擬結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特性、邊界條件以及荷載狀況，分析驗(yàn)證結(jié)構(gòu)在成橋狀態(tài)下的受力狀況，為橋梁的安全運(yùn)營(yíng)提供理論依據(jù)。
　　1工程背景
　　某大跨連續(xù)梁拱橋?yàn)榭缇�橋，主橋橋式采用60+128+60m連續(xù)梁拱橋（見圖1所示），主橋平面位于直線上，線間距為4.0m，縱坡G=0‰。橋梁設(shè)計(jì)活載為中-活載，線路等級(jí)為雙線I級(jí)鐵路，設(shè)計(jì)時(shí)速為120km/h客貨共線，滿足雙層集裝箱列車開行條件。
　　
　　圖1：橋梁三維結(jié)構(gòu)圖
　　主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用單箱單室變高度箱型截面，跨中及邊支點(diǎn)處梁高3.2m，中支點(diǎn)處梁高6.5m。拱肋計(jì)算跨度l=128.0m，設(shè)計(jì)矢高f=25.6m，矢跨比為1/5，拱軸線采用二次拋物線。拱肋實(shí)際施工均采用施工拱軸線制作和拼裝；拱肋為鋼管砼結(jié)構(gòu)，采用等高度啞鈴形截面，截面高度2.8m，拱肋弦桿及綴板內(nèi)填充微膨脹混凝土。兩榀拱肋間共設(shè)置8道橫撐，橫撐均采用空間桁架撐，各橫撐鋼管內(nèi)不填充混凝土。
　　吊桿順橋向間距8m設(shè)置，全橋共設(shè)14組雙吊桿，吊桿上端穿過拱肋，錨于拱肋上緣張拉底座，下端錨于吊點(diǎn)橫梁下緣固定底座。
　　2有限元仿真分析模型
　　全橋結(jié)構(gòu)仿真分析的核心是摒棄長(zhǎng)久以來(lái)以橋梁計(jì)算所采用的過多的人為假設(shè)。比如假設(shè)計(jì)算體系或計(jì)算平面的劃分與組合、假設(shè)構(gòu)件的連接方式為鉸接或者剛接、假設(shè)計(jì)算模型的邊界條件以及將結(jié)構(gòu)的加載形式做等效替換等。現(xiàn)行的全橋結(jié)構(gòu)仿真分析克服上述這些假設(shè)所帶來(lái)的不足，建立完整、統(tǒng)一的全橋結(jié)構(gòu)分析體系，在該體系下構(gòu)造全橋所有構(gòu)件的組合形式數(shù)學(xué)模型。該模型準(zhǔn)確模擬構(gòu)件的空間位置、尺寸、材料特性、連接形式、荷載作用、初始內(nèi)力和初始變形等，運(yùn)用限制變形—還原內(nèi)力原理確立結(jié)構(gòu)仿真分析的初始形態(tài)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行大規(guī)模的全橋結(jié)構(gòu)效應(yīng)分析計(jì)算，由此得到相對(duì)詳盡、精細(xì)和可靠的分析結(jié)果。[1]仿真分析技術(shù)相對(duì)于以前的計(jì)算手段而已有著不言而喻的優(yōu)勢(shì)：首先，全橋結(jié)構(gòu)仿真分析采用統(tǒng)一結(jié)構(gòu)分析體系的數(shù)學(xué)模型，無(wú)需如傳統(tǒng)計(jì)算方法一般先按照結(jié)構(gòu)體系分層計(jì)算，然后疊加組合的方式，加快了計(jì)算的進(jìn)程。；其次，能夠更為真實(shí)地模擬節(jié)點(diǎn)之間的連接形式，克服了傳統(tǒng)計(jì)算方法的單一的線單元連接方式；再次，能夠更為準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)的加載形式；最后，則是能夠計(jì)算更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，提升了其應(yīng)用范圍。
　　ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和耦合場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。經(jīng)過30多年的發(fā)展，ANSYS逐漸為全球工業(yè)界所廣泛接受。ANSYS用戶涵蓋了機(jī)械制造、航空航天、能源化工、交通運(yùn)輸、土木建筑、水利、電子、地礦、生物醫(yī)學(xué)、教學(xué)科研等眾多領(lǐng)域，是這些領(lǐng)域進(jìn)行設(shè)計(jì)技術(shù)交流的主要分析平臺(tái)。ANSYS軟件的開放式結(jié)構(gòu)允許對(duì)它進(jìn)行用戶化定制，從而為橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析提供了新的途徑，可以針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際問題對(duì)該軟件進(jìn)行二次開發(fā),使其分析功能得到擴(kuò)充，更好地滿足橋梁結(jié)構(gòu)分析要求[2]。其中，運(yùn)用最為廣泛的APDL語(yǔ)言二次開發(fā)幾乎可以完成用戶的任意功能要求，因此在橋梁仿真分析中占有極為重要的地位。
　　本模型采用ANSYS建模，以ANSYS命令流格式，編寫建立連續(xù)梁拱橋有限元模型的數(shù)據(jù)文件,包括結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)信息、單元信息、材料信息、實(shí)常數(shù)信息、約束信息以及荷載信息。全橋共872個(gè)單元。主梁采用beam44單元，吊桿采用link10單元，拱肋采用beam189單元。吊桿上端節(jié)點(diǎn)與拱肋共節(jié)點(diǎn)，吊桿下端節(jié)點(diǎn)與主梁通過剛臂固結(jié)處理，同樣，拱肋拱腳處與主梁通過剛臂固結(jié)處理。主梁為采用C55混凝土，采用C40鋼筋混凝土,其材料常數(shù)取為E=3.55×104MPa,ρ=2.5×103kg/m3，μ=0.2；吊桿采用平行鋼絲束，材料常數(shù)取為E=1.9×105MPa,ρ=7.85×103kg/m3，μ=0.3。剛臂實(shí)常數(shù)取為E=3.55×104MPa，μ=0.2。計(jì)算結(jié)構(gòu)在成橋狀態(tài)受力狀況，吊桿初拉力采用初應(yīng)變的方式施加，二期鋪裝采用梁?jiǎn)卧�荷載施加，移動(dòng)荷載根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》換算成均布荷載和集中荷載進(jìn)行施加[3]。
　　3結(jié)果分析
　　（1）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析
　　抽取計(jì)算結(jié)果中前5階屈曲模態(tài)，得到穩(wěn)定系數(shù)如下表1所示。下圖為結(jié)構(gòu)一階屈曲振型。分析計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該拱橋主要以拱肋面外失穩(wěn)為主，說(shuō)明結(jié)構(gòu)橫向剛度較小，這主要是其寬跨比較小導(dǎo)致的[4]。
　　
　　圖2結(jié)構(gòu)一階屈曲圖
　　表1結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)
　　階數(shù) 1 2 3 4 5
　　穩(wěn)定系數(shù) 4.22 4.26 5.90 6.63 7.52
　　對(duì)于拱橋的穩(wěn)定系數(shù)，橋梁規(guī)范中并沒有明確的說(shuō)明，根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》規(guī)定，對(duì)變截面拱，其穩(wěn)定系數(shù)不得小于4~5[3]，由上表可知，本橋穩(wěn)定性滿足要求。
　　（2）結(jié)構(gòu)內(nèi)力位移分析
　　
　　圖3自重+二期鋪裝結(jié)構(gòu)變形圖（單位：m）
　　在結(jié)構(gòu)自重和二期鋪裝作用下，跨中位置處最大位移為91.7mm。
　　
　　圖4移動(dòng)荷載結(jié)構(gòu)變形圖(單位：m)
　　在活載作用下，結(jié)構(gòu)最大位移為11.9mm。在活載作用下，結(jié)構(gòu)下?lián)陷^小，說(shuō)明主梁有較大的豎向剛度。
　　
　　圖5主梁應(yīng)力云圖(單位：Pa)
　　
　　圖6拱肋應(yīng)力云(單位：N•m)
　　
　　圖7吊桿應(yīng)力云圖(單位：Pa)
　　在自重及二期鋪裝荷載作用下，主梁最大壓應(yīng)力為11.8Mpa，小于C55混凝土的抗壓極限強(qiáng)度要求；由于拱肋采用188單元，無(wú)法分離鋼管拱肋與混凝土拱肋，所得到拱肋最大軸向壓應(yīng)力為二者等效軸向壓應(yīng)力14.5Mpa，吊桿最大拉應(yīng)力為147Mpa，很明顯地，上述結(jié)果均滿足結(jié)構(gòu)安全使用要求，具有比較大的安全度。另外，采用專業(yè)橋梁分析軟件Midas/Civil建立空間桿系模型進(jìn)行驗(yàn)證，得到，在在結(jié)構(gòu)自重和二期鋪裝作用下，跨中位置處最大位移為100mm，在活載作用下，結(jié)構(gòu)最大位移為14mm。主梁在自重和二期鋪裝作用下最大壓應(yīng)力為15.7Mpa。兩者結(jié)果比較接近，反映了ANSYS模擬具有較強(qiáng)的可靠性。
　　4結(jié)論
　　通過計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，雖然結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)滿足規(guī)范要求，但應(yīng)該注意拱肋的橫向剛度相對(duì)較弱的問題，必須著重監(jiān)督拱肋與風(fēng)撐的焊接質(zhì)量，以保證橫向連接的安全與穩(wěn)定。在自重和二期鋪裝荷載以及移動(dòng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和撓度均能滿足結(jié)構(gòu)的健康運(yùn)營(yíng)，具有較好的安全度。由此說(shuō)明，ANSYS能夠較好地模擬橋梁成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)受力性能，取得了比較清晰可信的結(jié)果。
　　參考文獻(xiàn)：
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