基于ANSYS的连续刚构桥分析操作篇.docx
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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'。
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一—〔级。
图2-1桥梁侧立面图
上部结构为48m+88m+48三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3（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10mX10mi形承台，厚3.0m。
"
图2-3箱梁截面图
、ANSY舒析：
（1）前处理
（1）定义单元类型
MainMenu^Preprocessor—ElementType—Add/Edit/Delete...选择
Solid45单元；
（2）定义材料属性
MainMenu—MaterialProps—MaterialModels...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。
"
（3）建立工程简化模型
建立0号块：
MainMenu^PreprocessorfModelingfCreatefKeypointsfInActive
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）
MainMenifPreprocessorfModelingfCreatefLinesfLinesf/
StraightLine顺次连接关键点1,2,3,4,7,8,1;6,7,9,10,6；
MainMenufPreprocessorfModelingfCreatefLinesf/LineFillet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。
MainMenufPreprocessorfModelingfCreatefAreasfArbitraryf/ByLines分别拾取箱梁截面的内外轮廓线建立两个平面。
MainMenufPreprocessorfModelingfOperatefBooleansfSubtractf/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（OffsetWP）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，MainMenufPreprocessorfModelingfCreatefLinesfLinesf/StraightLine依次连接对应节点；MainMenufPreprocessorfModelingfCreatefAreasfArbitraryf/ByLines依次建立0号块各个面。
MainMenufPreprocessorfModelingfCreatefvolunmesfArbitraryf/ByAreas点击PickAll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）;
MainMenufPreprocessorfModelingfCreatefKeypointsfInActive
CS...在对话框中输入主梁中心底线关键点坐标（x=x+4,5@4,2@3.5,3@3;
y=-（5-2.2）*x*x/4/4;z=0）。
MainMenu^Preprocessor—Modeling—Create—Lines—SplinesSplinesthruKPs,依次连接各点。
MainMenu—Preprocessor—Modeling—Copy—/Lines复制主梁底面中心线到边线位置（z=4.35）。
MainMenu—Preprocessor—Modeling—Create—Lines—Lines—/StraightLine连接11号块截面底线。
MainMenu—Preprocessor—Modeling—Create—Areas—Arbitrary—/ByLines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）,将工作平面绕丫轴旋转90度。
MainMenu—Preprocessor—Modeling—Operate—Booleans—Divide—/AreabyWrkPlane,拾取主梁底面，分离出1号块底面。
UtilityMenu—Select—Entities用ByLocation—Zcoordinates
（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；MainMenu—Preprocessor—Modeling—Operate—Extrude—Areas—/ByXYZOffset，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，MainMenu—Preprocessor—
Modeling—Volumes—Block—ByDimensions，建立一个2.8x2x4.35mA3的矩形块系梁。
将工作平面移动到桥墩底面角点，建立5x5x3mA3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3-11/4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
MainMenu^Preporcessor—Meshing—MeshTool...在SizeControl中的
GlobalSet总体单元尺寸定为0.5;在Mesh中选择Volunmes,Shape设置为Hex
—Sweep—AutoSrc/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。
tjlwuxingpeng
图3-31/4桥网格三维立体图
（2）模态分析
（1）选择求解类型
MainMenu^Solution—AnalysisType—NewAnalysis选择Modal。
单击OK按钮退出。
然后执行MainMenu—Solution—AnalysisType—AnalysisOptions，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）MainMenu—Solution—DefineLoads—Apply—Structural—Displacement—AymmmetryB.C.—/OnAreas，单击PickAll。
将工作平面移动到桥墩承台底面，选择出承台底面，执行MainMenu—
Solution—DefineLoads—Apply—Structural—Displacement—/OnAreas，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MainMenu—Solution—DefineLoads—Apply—Structural—Displacement—/OnNodes,约束节点UY
（3）输出设置
执行MainMenu—Solution—LoadStepOpts—OutputCtrrls—DB/ResultsFile设置输出所有结果。
执行MainMenu—Solution—LoadStepOpts—ExpansionPass—Single
Expand确认扩展模态数。
（4）求解
保存设置，执行MainMenu—Solution—Solve—CurrentLS求解。
（5）读取结果
执行MainMeni—GeneralPostproc—ReadResults—ByPick读取各阶桥梁振型。
执行MainMent—GeneralPostproc—PlotResults—CotourPlot—NodalSolu。
读取NolalDOFSolution—Diaplacementvectorsum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
'10a
n.-|NWIB-勺■诃r.HirIV'
naf^aii肾鈕MiqHflafC*■.^icaia
1L-39—IhiH-
图3-8全桥第七阶振型
图3-9半桥第八阶振型
图3-10全桥第九阶振型
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MainMenu—Solution—DefineLoads—Apply—Force/Moment—/OnNodes模拟双车道车距5m大型载重汽车荷载，其中单辆车总重为480k（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MainMenu—Solution—Solve—CurrentLS求解。
读取结
果，查看车载下位移、应力图。
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MainMenu^Solution—DefineLoads—Apply—Force/Moment—/OnNodes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MainMenu—Solution—Solve—CurrentLS求解。
读取结果，
查看车载下位移、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
50
nb6.243.5
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
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等
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《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
年9月
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,28
iv
JTGD60-2015
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。
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