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
1、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。
2、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。
图2-2主梁纵抛面图
图2-3箱梁截面图
3、ANSYS分析:
(一)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→Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→InActiveCS...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)
MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→↗StraightLine顺次连接关键点1,2,3,4,7,8,1;6,7,9,10,6;
MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→↗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。
MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→↗ByLines分别拾取箱梁截面的内外轮廓线建立两个平面。
MainMenu→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(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,MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→↗StraightLine依次连接对应节点;MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→↗ByLines依次建立0号块各个面。
MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→volunmes→Arbitrary→↗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);
MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→InActiveCS...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)。
MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Splines→↗SplinesthruKPs,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Y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2.8x2x4.35m^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3-11/4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。
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→SingleExpand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MainMenu→GeneralPostproc→ReadResults→ByPick读取各阶桥梁振型。
执行MainMenu→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3-5全桥一阶振型
图3-6半桥第二阶振型图3-7全桥第四阶振型
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。
(3)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)。
(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MainMenu→Solution→Solve→CurrentLS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3-16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
4、结果分析与强度校核:
(1)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。
(2)简单强度校核
由结构实验载荷分析输出结果
由C50混凝土抗压强度
可得安全系数
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