悬索桥有限元分析.docx
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悬索桥有限元分析
郑州大学
有限单元法及其应用
姓名：
曾令昕
学号：
201412212596
年级：
2014级
专业：
结构工程
授课老师：
闫富有
导师：
赵军
一桥梁建模信息
1.1桥梁模型基本数据
桥梁等级：
1级
桥梁长度：
420m
桥面宽度：
15.6m
设计车道：
两车道
1.1.1材料特性值（用户定义）
在建立斜拉桥模型之前，先输入材料信息。
（见下表）
拱桥材料信息
编号
项目
弹性模量（tonf/m²）
泊松比
比重
（tonf/m²）
1
吊杆
2.1×107
0.3
7.85
2
主梁
2.1×107
0.3
7.85
3
拱肋
2.0×105
0.17
2.5
4
加胫梁
2.0×107
0.3
7.85
5
支撑
2.0×105
0.3
7.85
1.1.2截面特性值（用户定义）
见下表。
拱桥截面属性
编号
项目
Area（m²）
Ixx（m4）
Iyy（m4）
Izz（m4）
1
吊杆
0.0021
0
0
0
2
主梁
0.3902
0.0070
0.1577
4.7620
3
拱肋
0.1691
0.1540
0.1450
0.1143
4
支撑
0.5395
0.4399
0.1316
3.2667
5
加胫梁
0.5395
0.4399
0.1316
3.2667
1.1.3单元类型和材料属性
在建立斜拉桥模型之前，建立单元类型。
1.1.4边界条件
采用两种边界条件。
支座采用弹性连接，桥面上采用刚性连接。
连接处边界条件
1.2荷载作用
1.2.1永久作用
自重系数取1。
二期恒载包括桥面上路缘石、防撞护栏、栏杆、灯柱、泄水管、桥面铺装等。
人行道荷载设为恒载。
其中二期恒载为18.6KN/M，人行道荷载为6.2KN/M。
1.2.2可变作用
梁模型设为双车道，采用中国城市桥梁荷载（CJJ77-98），车轮间距1.8m，采用公路－I级车道荷载，取值按照JTGD60-2004《公路桥涵设计通用规范》规定选取。
添加荷载分组情况
1.3模型建立
1.3.1单跨拱桥三维模型
在迈达斯软件建模中，输入桥梁基本数据。
可以得出简单的三维单跨拱桥模型。
如下图所示。
单跨拱桥三维模型
消隐后的单跨拱桥3D模型如下：
单跨拱桥消隐模型
1.4静力荷载工况与荷载组合
1.4.1荷载工况
静力荷载工况见下图。
静力荷载工况
1.4.2荷载组合
荷载组合见下图。
荷载组合
1.5施加荷载
因桥梁荷载包括结构自重、作用于主梁的二期恒载。
所以对这些荷载。
进行显示分析。
1.5.1单跨拱桥模型荷载
单跨拱桥人行道荷载见下图。
单跨拱桥人行道荷载（KN/M）
单跨拱桥二期恒载见下图。
单跨拱桥二期恒载（KN/M）
1.6边界条件
1.6.1单跨拱桥的边界条件
单跨拱桥支座采用一般连接。
单跨拱桥支座采用弹簧连接
单跨拱桥桥面采用刚性连接。
单跨拱桥桥面采用刚性连接
1.7桥梁模型建立流程
在这里悬索桥的建立过程直接参照斜拉桥的建模过程，分为以下几个步骤。
桥梁模型建立流程
二对单跨拱桥、斜拉桥和悬索桥模型进行数值分析
2.1查看单跨拱桥支座反力
2.1.1查看单跨拱桥的反力
单跨拱桥反力
可以看出反力的作用点分别作用到桥梁支座底端，索塔的底部。
2.2由静力荷载工况LCB１产生的位移变形
2.2.1单跨拱桥的位移变形
单跨拱桥位移变形
从图上看去，变行很大，是软件为了显示变形效果采用的夸张显示，实际上的变形多符合规范要求，约70mm。
2.3对桥梁模型进行数值析
MidasCivil软件的后期处理中包含内力和应力分析功能，内力分析分别为桁架单元内力，梁单元内力和梁单元内力图，应力分析分别为桁架单元应力、梁单元应力和梁单元内力图。
MidasCivil都以内力图或应力图形式表示出来，并提供动画和等值线演示等功能，便于了解各种内力的在桥梁内部的作用。
内力就是桥梁在受到外界因素作用下，如外力，温度改变，使桥梁内部各部分或质点的初始状态发生了变化，桥梁内部各相邻部分或质点就产生了相互作用力，这个力就是内力。
应力是当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变就称为应变（Strain）。
材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力。
把分布内力在一点的集度称为应力（Stress），应力与微面积的乘积即微内力。
或桥梁由于外因（受力、湿度变化等）而变形时，在桥梁内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使桥梁从变形后的位置回复到变形前的位置。
2.3.1单跨拱桥的内力和应力分析
单跨拱桥的梁单元内力
单跨拱桥的梁单元内力图
单跨拱桥梁单元应力图
2.4分析结论
从MidasCivil后期对三座桥梁模型的分析计算可知：
本文所建的单跨拱桥为正型拱桥，外形曲线柔和，吊杆强劲，给人良好的视觉效果。
从内力图上可以分析出，拱桥通常为外部静定，内部超静定的结构[15]，桥面荷载通过桥面横系梁传至主梁，主梁将部分荷载传递至吊杆，再由吊杆传递给拱肋，最后又拱肋将何在传递至拱脚支座。
同时，由于吊杆的作用，拱桥的横系梁轴力呈均匀分布，但会出现节节变大的现象，因此不适合大跨径的桥梁。
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