基于ANSYS的连续梁的可靠性分析研究.docx

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基于ANSYS的连续梁的可靠性分析研究

1绪论

1．1关于连续梁的概述

在梁式桥中,简支梁、悬臂梁与连续梁是三种古老的梁式结构体系,早为人们所采用。

20世纪20年代末,由于某种预应力技术的成功,极大地改善和加强了混凝土结构。

而20世纪50年代后,由于在预应力混凝土桥梁的施工方法中引入了传统钢桥的施工方法,并针对预应力混凝土桥梁的一些特点,对之加以改进和发展,促使梁式桥得到了迅猛发展,并形成了大跨径连续梁的更大改进[9]。

近几年来,我国的连续梁桥建设取得了长足发展,不论在数量上还是在跨径上都进入了世界前列。

回顾连续梁桥的发展,可以清楚的看到：

现代科学技术的发展对桥梁的跨径和桥梁的截面形式起着重要的作用。

连续梁是一种古老的结构体系，它具有变形小、结构刚度好、行车平顺舒适、伸缩缝少、养护简易、抗震能力强等优点。

初期的连续梁桥跨径多为30—40,并且由于施工工期长,并耗用大量木材,因而建造连续梁桥的数量很少,六十年代初期,随着科学技术的发展和施工技术的发展连续梁桥在这个时候也得到了迅速发展,它可以不用或少用支架,不影响河道通航,将桥梁逐段悬臂施工,其跨越能力己经发展到200以上,因而扩大了连续梁桥的适用范围[23]。

连续梁桥是一种造型新颖而优美的组合式桥梁,由拱下的梁体来承担拱所产生的拉力,结构受力合理明确,综合了传统式桥梁行车舒适、受力合理、跨越能力较大、经济适用性好等优点,克服了拱桥对桥位地基要求高和简支梁材料指数高的缺点,具有明显的工程实用价值。

在连续梁桥的设计分析中,如何确保桥梁结构性能满足规范要求十分重要,空间分析可以比较精确的反映结构的真实受力状况[20]。

1．2对连续梁可靠性研究的发展及展望

随着我国经济实力的不断增长，交通运输事业发展迅猛。

桥梁是道路畅通的咽喉，其承载能力和通行能力是沟通全线的关键。

一方面，新建桥梁的数量和级别在不断提高，如何保证这些新建桥梁的安全可靠十分必要;另一方面，已建桥梁随着使用年限的增加和设计荷载等级的提高，其可靠性问题也值得关注。

在过去的道路桥梁设计中，常用安全系数作为评价指标。

但是，安全系数往往不能考虑设计变量中任何客观存在的变异性，而只是由确定的信息得到的确定值，因而对于不同的工程问题来说，确定的安全系数不一定都会适用，也就是说，安全系数的大小并不能完全表征工程的可靠程度。

因此，考虑实际工作中的不确定因素，对工程可靠性评估具有十分重要的意义。

桥梁工程中可靠性问题主要表现在以下几个方面：

（1）载荷作用的不确定性

桥梁结构在施工和使用中要受到自身的、外部的、直接的和间接的各种因素的作用。

一般来说，桥梁结构上的作用在设计基准期内的最大值或最小值可以采取随机变量概率模型描述。

作用的概率分布类型及其统计参数，应以观测数据为基础，运用参数估计方法和概率分布的假设检验方法确定。

（2）材料参数的不确定性

通常研究的材料性能是针对标准试验条件而言的，真实的构件与试件还存在差异。

对钢筋来说，一般要考虑钢筋的材质、加载速度的快慢和钢筋截面面积沿长度的变化等，对混凝土而言，一般要考虑所采用水泥的实际标号、砂石的强度和含水率等。

材料参数包括材料热学参数和力学参数。

热学参数包括混凝土的水化热参数、导热参数、导温参数和表面放热系数等。

针对大体积混凝土结构材料的力学参数包括变形模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度、收缩和膨胀等。

（3）几何尺寸的不确定性

对于混凝土桥梁结构，为了进行结构构件的统计分析，应该得到以下相关内容：

对混凝土而言，要知道其截面高度、截面宽度、板的厚度和圆柱的截面半径等。

（4）计算模式的不确定性

由于实际桥梁工程中所用某些材料的复杂性，一般情况下，可根据室内试验、工程地质资料甚至工程经验初步确定材料模型的类别，而实际上，由于计算中采取的某些基本假定的近似性和计算公式的不精确性会引起的计算值的不确定，或者称“计算模型误差”。

实际工程中不确定因素在各个方面都不可避免地存在着，而在计算科学日益发展的今天，如果不考虑设计参数的不确定性，结构的精确分析所能取得的效益将被粗略的经验性安全指标所淹没。

因此，对桥梁结构可靠性问题的研究就显得尤为重要。

而在如今随着科学技术的迅速发展，对连续梁可靠性理论的研究已经逐步加深，工程结构的设计思想以及工程结构的评价方法也在不断的演变和更新，并考虑到连续梁桥各构件或子体系的相关性以及桥梁整体效应的影响，从而较为合理地为估计整个连续梁桥的可靠性水平提供了理论依据。

可靠性理论为桥梁工程的设计与评价提供了较为合理的方法，但在对连续梁桥可靠性分析过程中遇到的实际情况及长期积累的经验，研究者们还发现有以下问题还有待进一步的研究和解决:

（1）理论本身的进一步完善。

结构可靠性发展至今，己经形成较为成熟的理论体系，但是往往都是建立在很多假设的基础之上，这会给可靠性的计算结果带来误差。

对结构体系可靠性来说，无论是寻求主要失效模式还是体系可靠度的求解都是通过理想化和简单化处理，因而整个体系的可靠度往往只能近似的反映结构整体的可靠情况。

（2）参数统计。

桥梁结构的可靠度问题是建立在概率论和数理统计的基础之上的。

桥梁结构上的作用和结构的抗力都是随机变量，所以要进行大量的试验和试验结果的分析统计，确定各随机变量的分布形式及相关参数。

（3）施工过程的可靠度计算。

由于连续梁桥在施工过程中以及工程建成之后，其力学模型是不相同的。

要对施工期的桥梁进行可靠性分析时，就要建立不同施工期的极限状态方程，并确定与此相应的荷载模型和抗力模型。

（4）连续梁桥生命过程各阶段的可靠性分析。

随着运营期的增长，连续梁桥失效的极限状态方程也会相应变化。

如何求出不同时期的结构可靠度，并且找出具有代表性某一时期和某几个时期的结构失效模式成为关键问题。

（S）基于可靠度理论的连续梁桥的优化设计。

桥梁设计不光只满足安全性、适用性和耐久性的要求，而且要能够达到经济的合理的目的。

要建立连续梁桥结构在不同的可靠度水平下的优化设计方案，体现风险决策的最佳经济效益，达到安全、适用、耐久和经济合理的对立统一[10,12]。

1．3连续梁桥可靠性研究的有关事例

涂山淮河大桥为一座特大跨径梁桥，主桥为大跨径预应力混凝土连续箱梁，跨径组合为45m—90m—130m—90m—45m，桥面宽28m。

主桥是由两个分离的变截面预应力混凝土单室箱组成。

箱梁主墩处的根部高度7.0m、副墩处的根部高度为3.llm、过渡墩处的根部高度为2.2m。

主跨和副跨跨中截面高度均为2.5m，箱顶宽13.50m。

箱底板厚度与高度变化按二次抛物线设计。

主桥箱梁的混凝土标号为50号，混凝土的弹性模量为3.5*104MPa。

下图即为涂山大桥的桥梁示意图：

图1：

涂山大桥的主梁示意图

新建桥梁在运营之前，都要进行可靠性的分析与评估，以保证桥梁有足够的可靠度。

对于新建桥梁来说，评估结构可靠性的测试手段有两种方法：

①应用系统识别方法进行静载试验。

②应用模态分析方法进行动载试验。

不论是桥梁的弯曲和剪切破坏，还是动态性能的变化都可以用现场测试结果进行评估，然后通过对桥梁系统中分离出的混凝土主梁进行极限荷载试验加以验证[18]。

下图所示即为涂山大桥的可靠性评估及用现场测试进行验证试验的一般过程。

图2：

连续梁桥可靠性评估及验证流程图

1．4本次设计的主要任务

我国的桥梁设计虽然已经取得的显著的成果，但在许多方面仍然存在着很多问题，主要就集中在强度及可靠性方面。

连续梁桥的可靠性是桥梁安全运行的保证，为避免突发事故的出现，能按时安全的建好一座桥梁，对连续梁的可靠性及强度等的分析就是最有力的保证。

本次的主要任务就是：

（一）、对连续梁的受力按照最危险工况进行静力学分析。

通过确定模型的单元类型，实常数和材料属性，施加载荷得出在静力下的最大位移和最大变形。

（二）、对连续梁进行可靠性分析。

基于ANSYS进行可靠度分析，可以解决以下问题：

有限元模型中输入参数的不确定性导致的计算结果的不确定度；输入参数的不确定性导致的结构失效概率；结构最大变形、最大应力等参数的允许范围；对输出结果和失效概率影响最大的参数；输入变量、输出结果变量之间的相关系数等。

2有限元模型的建立

2．1设计连续梁的结构方案

参考郑州跨线大桥的结构，然后再根据现今世界上许多桥梁的设计，将此次连续梁的设计方案拟定如下：

选用拱形桥梁结构，材料选用钢管，其中各梁的尺寸确定如下表所示：

横梁

主梁

斜梁

连接梁

直径

2.0m

1.3m

1.0m

0.8m

壁厚

0.1m

0.1m

0.1m

0.1m

连续梁由四个相同的单元梁组成，全长共480m，混凝土等级为C50，最高处拱高

14m，桥梁宽为16m.。

连续梁的大致形状如图所示：

图3：

连续梁的示意图

有限元分析是一种模拟设计载荷条件，并且确定在载荷条件下的设计响应方法是对真实情况的数值近似。

ANSYS有限元分析主要包括三个步骤，第一个步骤就是创建有限元模型也叫前处理，由此可见，有限元模型是有限元分析的重要环节，模型建立的好坏直接影响设计的结果。

2．2在ANSYS建模的过程

2．2．1ANSYS软件的简介

ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体，以有限元分析为基础的大型通用CAE软件，它可广泛应用于机械制造、石油化工、轻工、造船、航空航天、汽车交通、电子、土木工程、水利、铁道、日用家电、生物医学等众工业领域及科学研究。

并且ANSYS公司自成立以来，一直致力于设计分析软件的开发，不断吸收新的计算方法和计算机技术，领导着世界有限元技术的发展，并为全球工业界所接受。

总的说来，该软件具有以下几个方面的特点：

（1）强大而广泛的分析功能：

可广泛应用于求解结构、热、流体、电磁、声学等多种物理场及多场耦合的线性及非线性问题。

（2）一体化的处理技术：

主要包括几何模型的建立、自动网格划分、求解、后处理、优化设计等许多功能及实用工具。

（3）丰富的产品系列和完善的开放体系：

不同的产品配套可应用于各种工业领域，如航空、航天、船舶、汽车、兵器、铁道、机械、电子、核、能源、建筑、医疗等。

因此采用ANSYS软件进行此次连续梁的分析，能够收到事半功倍的效果[1,4,7]。

2．2．2建模方法

（1）导入型

对于许多复杂形体的研究，需要建立庞大或复杂的模型，特别是三维模型。

由于具有很多不同截面和各种不同状态下的受力变形，如果采用ANSYS软件直接建模可能会出现各种预想不到的困难，因为此软件的画图功能不是很强大，它的主要作用在于其强大的分析功能，所以对于复杂形体，必须先在其它画图软件中建模而后导入ANSYS软件中进行分析，如proe软件或CAD软件。

（2）直接建模法

而对于另外一些结构形式相对简单，如我们此次所设计的连续梁结构，就可以采用直接建模的方法，既可以节省大量的时间也可以减少划分网格的麻烦，因为在ANSYS软件中建立起来的模型直接具有单元结构。

2．2．3建模过程

1启动ANSYS

启动ANSYS程序，在启动界面上输入工作名：

lianxuliang。

单击RUN按钮进入ANSYS图形交互界面。

2选择单元类型

依次单击Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete。

单击Add按钮，弹出LibrayofElementType对话框，单击选择Pipe、Elaststraight16选项。

单击OK按钮，再单击Close按钮，完成单元的添加。

照此方法，依次完成对横梁、主梁、斜梁和连接梁单元类型的添加。

3添加实常数

单击Preprocessor→RealConstants→Add/Edit/Delete,弹出对话框。

单击Add按钮，选择PIPE16选项，单击OK按钮，在弹出的对话框中输入钢管的直径2.0m，壁厚0.1m，单位长度质量为8874Kg/m,单击OK按钮。

再按照同样的方法选择下一个PIPE16选项，即为主梁添加实常数，在弹出的对话框中输入钢管的直径1.3m，壁厚0.1m，单位长度质量为2958Kg/m,单击OK按钮。

再按照同样的方法选择下一个PIPE16选项，即为斜梁添加实常数，在弹出的对话框中输入钢管的直径1.0m，壁厚0.1m，单位长度质量为1180Kg/m,单击OK按钮。

再按照同样的方法选择下一个PIPE16选项，即为连接梁添加实常数，在弹出的对话框中输入钢管的直径0.8m，壁厚0.1m，单位长度质量为924Kg/m,单击OK按钮。

至此，就完成了对所有梁结构实常数的添加。

单击OK按钮，再单击Close按钮，完成实常数添加。

4加材料属性（MaterialProps）

单击Preprocessor→MaterialProps→MaterialModel。

在对话框右面的列表中，依次单击Structual→Linear→Elastic→Isotropic，输入弹性模量为2.06E＋11，泊松比为0.3。

单击OK按钮，在单击EXIT按钮，完成材料的设置

5建模

（1）、创建节点

将节点坐标值输入Excel表格，并根据的节点的命令“N”添加其它数据列，如下图所示

图4：

输入节点坐标

将以上命令复制到ANSYSCommandPrompt窗口中，按Enter键执行命令，GraphicsWindow中显示创建的节点。

图5：

节点创建图

（2）．连接管单元

首先，在Excel表格中创建管单元命令，因为所有单元的实常数相同，所以不用添加设置网格属性命令。

根据创建管单元命令“e”添加其它数据列。

如下图所示。

图6：

连接各节点的命令行

将以上命令复制到ANSYSCommandPrompt窗口中，按Enter键执行命令，可以观察到在GraphicsWindow中生成单元。

如下图所示：

图7：

创建的管单元

（3）．复制单元

依次单击Preprocessor→Modeling→Copy→Elements→UserNumbered（用户制定单元编号），弹出单元选择对话框。

如图所示：

单击PickAll按钮选择单元，弹出复制单元对话框，输入单元增量（Elementnoincrement）“90”，对话框默认复制次数2（Numberofcopies），输入节点编号增量（Nodenoincrement）“20”，输入z方向平移距离（Z－offsetinactive）“-16”。

注意1：

有上一步操作可以知道已经创建了84个单元，因为共有84行创建单元命令，创建完大桥简化模型的前片后，最大单元编号为84，因此单元在输入单元编号增量时，必须大于或者等于84，输入90是为了便于计算。

后片单元51与前片单元对应，依次类推，后片最大单元编号为135。

注意2：

前片共有45个节点，因此节点编号增量应大于或等于45，输入50。

在后片上与前片节点1对应的节点偏号为51，依次类推，后片上最大节点的标号为95。

单击OK按钮，完成复制。

单击PlotCtrls菜单中的“PanZoomRotate”命令，弹出视图控制对话面板。

单击Iso按钮，即用Iso视图显示模型。

（4）．连接前后节点：

因为前后片节点对应编号增量为20，可以在Excel中进行创建单元批处理操作。

如下图所示，即节点1和节点21连接成单元，依次类推至节点12到32。

图8：

连接前后节点的命令行

复制以上内容到ANSYSCommandPrompt中，按Enter键执行命令。

图9：

连续梁的结构图

（6）．显示模型

依次单击Protctrls、Style、sizeandshape菜单，在弹出的对话框中选中[ESHAPE]右面的复选框。

单击OK按钮退出，GraphicsWindow显示模型如下图所示。

图10：

连续梁的模型图

至此完成了郑北跨线大桥简化模型的创建[3,6]。

3连续梁的静力分析

3．1静力分析概述

在各种结构的分析类型中，静力分析是非常重要的形式，同时也是最简单最基本的分析形式，是非线性分析、动力学分析等其他分析的基础。

静力分析很适合于求解惯性及阻尼的时间相关作用对结构响应的影响并不显著的问题，这种分析类型有着很广泛的应用，如倒角结构处的应力集中程度，或预测结构中由温度引起的应力。

静力分析包括线形静力分析和非线形静力分析，其中非线形静力分析包括所有的非线形类型：

大变形，塑性，蠕变，应力刚化，接触（间隙）单元，超弹性单元等。

钢结构工作在弹性范围内，力与变形属线性关系，故本分析使用大型通用结构分析软件ANSYS8.0只对其进行线形静力分析进行讨论，不考虑非线性因素。

ANSYS程序中的结构静力分析是用来分析计算在固定不变的载荷作用下结构的效应，即由于稳态外载引起的系统或部件的位移、应力、应变和力。

同时，结构静力分析还可以计算那些固定不变的载荷以及那些可以等价为静力作用的随时间变化的载荷对结构的影响。

在结构静力分析过程中，一般都假定载荷和响应固定不变，即假定载荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢。

静力分析所施加的载荷包括：

●外部施加的作用力和压力。

●稳态的惯性力。

●位移载荷。

●温度载荷[17]。

3．2结构线性静力分析基本步骤

（一）建立有限元模型

在建立有限元模型的过程中，应该首先确立所要进行分析过程工作文件名、工作标题并定义单元类型、单元实常数、材料模型及其参数。

这些都是ANSYS分析问题的常用步骤。

在结构线性静力分析过程中，应注意以下几个问题：

1可以使用线性或者是非线性的单元类型

2选择的材料模型可以是线性也可以是非线性的；各向同性或各向异性；和温度相关或无关，另外在选择材料特性时，必须遵守如下规则：

●弹性模量EX必须定义。

●若结构需要施加惯性载荷，必须定义能求出质量的参数，如密度DENS。

●若进行热-结构耦合分析，必须定义线膨胀系数ALPX。

（二）加载求解

包括以下子步骤：

定义分析类型和分析选项、施加载荷、定义边界条件、设置输出格式、进行求解计算。

其中在施加载荷这一步骤中可以在实体上施加载荷，也可以在有限元模型（节点、单元）上施加载荷。

载荷类型包括位移载荷、集中力载荷、温度载荷、能量密度和重力、旋转惯性力。

施加载荷的方式：

在程序分析中载荷可以被施加、删除、进行运算以及列表显示。

对于所有的载荷操作既可以通过命令或者是GUI的方式进行，也可以通过定义参数数组表格的方式进行。

（三）查看求解结果

在结构静力分子中，其计算结果将被定入到结果文件中，一般结果文件中包含了以下数据：

●基本数据：

节点位移信息（UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ）

●导出数据：

包括节点和单元应力、节点和单元应变、单元集中力和节点支反力等[1,5]。

3．3静力分析

3．3．1建立有限元模型

这一步我们已经在第二章中已经做过，所以直接打开上面所建立的模型即可。

3．3．2加载求解

⑴分析计算

在静载荷状态下，桥梁受力状态如下

图11：

连续梁的受力图

只有左边的两个连接支点是受全约束，其余的六个连接支点都是只受Y方向上的约束。

而横梁上共四十个节点都是受向下的力。

力的大小计算过程如下：

各系数的确定：

由于连续梁总长为480m，梁宽为16m，两边的人行道各宽2m，所以桥面的总宽度为20m。

桥面的材料为混凝土，其密度为2004kg/m3,厚度为0.7m。

因此计算得出的桥面的总重力为：

G=2004*480*20*0.7*9.8=131975424N

连续梁共40个节点，故每个节点所受到的力大小为：

F=131975424/40=3299385N

⑵对连续梁施加约束载荷

●对左边两支点进行全约束

1.选择MainMenu>Solution>AnalysisType>NewAnalysis命令，出现NewAnalysis对话框，选择Static单选按钮，单击OK按钮关闭该对话框。

2.选择MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnNodes命令，出现ApplyU,ROTOnNodes对话框，鼠标将相应地变成箭头的形状，选取需要施加约束的目标，单击OK按钮出现ApplyU,ROTonNodes对话框，点击ALLDOF单击OK按钮关闭对话框。

全约束施加完毕。

●对其余六支点进行Y方向的约束

选择MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnNodes命令，出现ApplyU,ROTOnNodes对话框，鼠标将相应地变成箭头的形状，选取需要施加约束的目标，单击OK按钮出现ApplyU,ROTonNodes对话框，点击UY单击OK按钮关闭对话框。

Y方向约束施加完毕。

施加约束后如下图所示：

图12：

施加约束图

⑶对连续梁施加载荷

选择MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>force/moment>OnNodes命令，出现ApplyF/MOnNodes对话框，鼠标将相应地变成箭头的形状，选取需要施加约束四十个横梁上的节点，单击OK按钮出现ApplyF/MonNodes对话框，点击FY并输入力的大小F=-3299385单击OK按钮关闭对话框。

载荷施加完毕后如下图所示：

图13：

施加载荷图

⑷求解

求解的过程大部分是由计算机自动完成的。

在进行求解的操作，一般包括三个基本过程

（1）求解控制的设置。

（2）检查模型准备是否就绪。

（3）保存数据库，开始求解。

在求解初始化前，对模型进行分析数据检查是很必要的，主要包括如下内容：

（1）统一的单位。

（2）单元类型和选项。

（3）材料性质参数是否正确。

（4）实常数（单元特性）。

（5）单元实常数和材料类型的设置。

（6）实体模型的质量特性。

（7）面力方向

（8）集中体积载荷

在分析的过程中如果出现求解没有结果，通常是输入的模型不完整，或模型在创建时存在不符合实际的错误，典型的原因有：

（1）约束不够，这是常见的问题。

（2）材料性质参数出现负值，如密度等。

（3）当模型中有非线性单元，如缝隙、滑块等，整体或部分结构出现崩溃或“松脱”造成计算不收敛。

求解步骤:

选择MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS.命令,系统将会自动计算结果。

随后将出现Solutionisdone的对话框,表示已经计算完毕。

计算结果如下:

图14：

静力计算结果

⑸进行连续梁的位移分析

选择GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu,弹出NodalSoluSolutionData对话框,选择DOFSolution和USUM选项,然后单击OK按钮,产生连续梁的位移变化图，如下所示：

图15：

连续梁的位移变形图

连续梁的放大位移图如下：

图16：

连续梁的位移变形放大图

⑹连续梁的应力分析

选择GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>ElementSolu,弹出NodalElementSolutionData对话框,选择stress和vonMisesSEQV选项,然后单击单击OK按钮,产生连续梁的应力变化图，如下所示：

图17：

连续梁的应力图

连续梁的应力放大图如