中承式钢箱提篮拱桥在不同软件分析下的结果对比

YANJ IUYUTANSUO
㊀«工程与建设»㊀２０２０年第３４卷第３期
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㊀收稿日期:２０２０Ｇ０３Ｇ０２;修改日期:２０２０Ｇ０４Ｇ１６
作者简介:胡良红(１９７８－)
,男,安徽石台人,硕士,高级工程师．中承式钢箱提篮拱桥在不同软件分析下的结果对比
胡良红１,㊀黄飞鸿２,㊀刘㊀信３
(１．中国华西工程设计建设有限公司安徽分公司,安徽,合肥㊀２３００３２;
２．合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽,合肥㊀２３０００９;３．安徽省交通规划设计研究院,安徽,合肥㊀２３００８８
)摘㊀要:当下有限元分析软件较多,为了比较不同有限元软件计算结果,本文基于目前常用的大型空间有限元分析软件A N S Y S 和桥梁设计三维分析软件M I D A SC i v i l ,对中承式钢箱提篮拱桥分别建立计算模型,从模型输入㊁静力响应和动力特征参数三方面进行比较分析.结果表明:这两种有限元分析软件计算结果基本一致,最大差值不超过５％.说明在设计和研究过程中,可根据具体工程情况选择其中一款软件进行分析计算,也可以用两种软件相互印证以增加结果的可靠性.关键词:有限元软件;A N S Y S ;M I D A SC i v i l
中图分类号:U ４４８．２２＋３㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:１６７３Ｇ５７８１(２０２０)０３Ｇ０３９７Ｇ０３
０㊀引㊀㊀言
随着科技的进步,有限元分析软件越来越多,而不同的学
者和研究人员学习和使用的软件也各不相同,然而对于同一问题,可以采用多种有限元软件进行分析.例如分析桥梁受力特征,可以采用桥梁博士㊁M I D A SC i v i l ㊁A N S Y S 等;分析结构的地震响应,可以采用A N S Y S ㊁A B A Q U S ㊁O p
e n S e e s 等;分析岩土结构的受力特性,可以参与F L A C ３D ㊁M I D A SG e n 等.为比较不同有限元软件分析同一问题之间的差异,本文以某座中承式钢箱提篮拱桥为背景,采用A N S Y S 和M I D A SC i v i l 分别建模,从模型输入㊁静力响应和动力特征参数三方面进行比较分析.
１㊀有限元模型建立
１．１㊀工程概况
背景桥梁主桥采用跨度为１２０m 的中承式钢箱提篮拱
桥[１],受力模式属于拱梁组合体系结构[２]
,主桥拱圈为双肋单
箱单室变截面钢箱拱,拱轴线在拱肋平面内为二次抛物线,矢跨比为１ʒ３,矢高为４０m ,如图１所示.主拱肋竖向与水平面的夹角为７５ʎ,内倾角为１５ʎ.两拱肋之间用３道钢箱横撑连为一个整体.主拱肋分为钢箱拱肋和实心矩形预应力混凝土两部分,尺寸由１．５mˑ２．０m 渐变为３．５mˑ４．５m .桥梁主跨桥面系采用正交异性钢桥面板
[３]
结构形式.桥面板厚度为
１６m m ,
横桥向用高强螺栓与钢纵梁进行栓接.桥面板由４根I 型小纵梁进行支撑,
小纵梁之间再设置U 型加劲肋,横梁采用工字型,纵桥向间距为３m ,吊杆与钢梁的锚固结构为全焊结构.吊杆采用Φ１５－１５及Φ１５－２７钢绞线.本桥共设１４
对吊杆,沿桥轴方向吊点标准中心距为６．０m .主桥两侧的人行辅桥分为两部分,第一部分采用开口截面,与主桥相连.第二部分为钢箱截面,立面采用１．７次抛物线,
平面为圆弧线.主拱座采用承台接群桩基础.吊杆编号如图２所示.
图１㊀桥梁总体布置图
图２㊀吊杆编号
１．２㊀A N S Y S 有限元模型建立
车行桥和人行桥的拱肋㊁横撑㊁挑梁均为带有纵向加劲肋的钢箱梁,其中拱肋为变截面钢箱梁,截面构造较为复杂,故选用软件中支持自定义截面类型的B e a m１８８单元进行模拟,每个节点有３个自由度,可用于弹塑性分析,支持自定义截面[
４]
.纵横梁亦采用该单元类型,截面均为在C A D 中绘制后导入
A N S Y S 中.吊杆采用L i n k １８０单元,
该单元支持大变形㊁大应变,可输入初应力,且设置为仅受拉,非常适合模拟索结构.全桥共离散梁单元１２５６个,杆单元２８个,
如图３所示.
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桥梁的边界条件按照设计图纸要求进行约束,承台底部固
结,拱肋与承台连接及桥面板约束条件如图４所示.
图３㊀桥梁A N S Y S 有限元模型
图４㊀桥梁边界条件布置图
１．３㊀M I D A SC i v i l 有限元模型建立
M I D A SC i v i l 有限元模型中拱肋㊁
横撑㊁挑梁㊁桥面系纵梁及横梁均采用梁单元进行模拟,均使用S P C [５]
自定义截面功能导入;吊杆采用只受拉桁架单元进行模拟.荷载取值及边界条件设置与A N S Y S 模型中保持一致.全桥同样共离散梁单元
１２５６个,杆单元２８个,
如图５所示.图５㊀桥梁M I D A SC i v i l 有限元模型
２㊀比较分析
２．１㊀模型输入条件对比
两种模型中的截面均是由C A D 导入,A N S Y S 中使用的
是B e a m１８８单元的自定义截面功能,M I D A SC i v i l 中使用的
是S P C 自定义截面功能,两种方法的导入精度会有所不同.本文选取拱肋跨中位置截面㊁拱脚位置截面㊁纵梁截面㊁横梁截面,将两种模型计算的截面特性值与使用材料力学方法计算的
截面特性值进行对比[６]
,结果见表１.
表１㊀截面特性值对比表
位置截面特征项
材料力学A N S Y S
M I D A SC i v i l
拱肋跨中
面积/c m
２１５３２．６４
１５３２．６４０．００００％
１５３２．６４
０．００００％
I x x /c m ４
８９４３４３１．５３８９２１３００－０．２４７５％８９６６５５００．２５８５％I y y
/c m ４５５５５６４９．２８５５５５６００－０．０００９％５５６４１５００．１５３０％拱脚
面积/c m
２
８３４００８３４００
０．００００％８３４００
０．００００％I x x /c m ４２０１２３５５０００２０１２４００００００．００２２％２０１２３６０００００．０００２％I y y
/c m ４１２９３１５５０００１２９３２００００００．００３５％１２９３１６０００００．０００４％纵梁
面积/c m ２７４４．３２７４４．３２０．００００％
７４４．３２０．００００％I x x /c m ４５２０８８４４．５６５２０８８００－０．０００９％５２０８８４５
０．００００％
I y y /c m ４２９１６６６．６３２９１７６００．０３２０％２１９６６６－０．０００２％横梁
面积/c m
２７８２．６０
７８２．６００．００００％７８２．６００．００００％I x x /c m ４５６６３３４４．４２５６６７２０００．０６８１％５６６７１８３
０．０６７８％I y y
/c m ４２４３１４０．８７
２４３１４０－０．０００４％２４３１４１０．０００１％㊀㊀由表１可知,A N S Y S 与M I D A SC i v i l 软件计算出来的截面特性值与采用材料力学方法计算出来的截面特性值都非常接近,误差均小于１％,因此,可以认为在截面导入方面,两种有限元软件之间并无明显差异.
２．２㊀静力计算结果对比
静力计算通常可以用来验证结构的强度㊁刚度和稳定性,
是工程计算中基础的工作,本文静力计算不做移动荷载分析,成桥后将活载以车道荷载形式加到桥面系上,视为恒载处理,
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㊀故该部分只计算恒载作用下桥梁结构的受力响应.
本文计算了拱肋１/２㊁拱脚位置㊁纵梁１/２及横梁１/２位
置处应力,因结构是对称的,仅列出左侧计算结果,见表２.吊
杆是中承式提篮拱桥的重要构件,其安全与否决定了整个结构的安全性能,故对吊杆内力进行计算是非常有必要的,两种软件吊杆内力的计算结果如图６所示.
表２㊀静力计算结果表
位置A N S Y S 计算结果
轴压应力弯曲应力弯曲应力σx
/M P a σy /M P a σz
/M P a M I D A SC i v i l 计算结果
轴压应力弯曲应力弯曲应力σx
/M P a σy
/M P a σz
/M P a １/２拱肋－４１．２１０．３３
０．２７－４５．４００．２０
－０．０９拱脚－１３．５４－１．１９４．４９
－１１．２０－１．７３５．５４
１/２纵梁
－１０．３２－２．０６－１８．８６－１２．３０－２．５６－１４．５０１/２端横梁０．０１
－２．４５－１９．００１．１０
－２．９３－２０．８０１/２中横梁
－０．０３－０．０２－３３．２３
－０．０１０．０９－３１．５０
图６㊀吊杆内力计算结果图
由表２可知,A N S Y S 应力计算结果与M I D A SC i v i l 计算
结果基本一致;图６显示了两种模型计算的吊杆内力基本一致,跨中位置几根长吊杆仅相差７k N ;而两侧的短吊杆虽然差值最大达到４９k N ,但也只相对差４．７２％,仍在可接受范围之内,因此可认为采用相同的荷载和边界条件,两种软件的计算结果并无明显差异.２．３㊀动力特性计算结果对比
桥梁的动力特性是衡量结构整体刚度及使用性能的重要
指标之一,结构固有频率和振型是最基本的动力特性参数,模
态分析[７]
是一种典型的线性分析方法,是开展其他动力学分析的基础性工作[８]
.使用A N S Y S 模态分析模块与M I D A SC i v i l
特征值分析功能,分别对背景桥梁进行动力特性计算,求解桥
梁固有频率及前三阶振型,计算结果见表３.
表３㊀桥梁动力特性计算结果表
阶数A N S Y S 计算结果
固有频率/H z 自振周期/s
M I D A SC i v i l 计算结果
固有频率/H z 自振周期/s
一阶１．５３５０．６５１１．５１６０．６６０二阶１．８４１０．５４３１．８３２０．５４６三阶
１．９２２
０．５２０
１．９１５
０．５２２
㊀㊀由表３可知,两种模型计算的桥梁结构固有频率及自振周期基本一致,振型特征是完全吻合的,说明了两种模型的整体刚度是基本一致的.前三阶的振动主要是拱肋的振动,第一㊁二阶均为拱肋在横桥向的振动,第三阶则为拱肋在顺桥向的振动,周期衰减.
３㊀结㊀㊀论
本章依托某中承式钢箱提篮拱桥为工程背景,使用有限元
分析软件A N S Y S 及M I D A SC i v i l 分别建立了有限元模型,
来探讨不同有限元分析软件分析同一工程实例之间的差异,分析可得以下结论:
(１
)模型输入条件方面,在控制材料参数与设计要求保持一致的前提下,两种有限元软件计算的截面特性基本一致,且与力学理论计算值很接近.
(２
)静力响应方面,采用相同的荷载和边界条件,两种软件的计算结果并无明显差异.
(３
)动力特性参数方面,两种软件计算的桥梁结构固有频率及自振周期基本一致,说明了两种模型的整体刚度基本一致.
说明只要保持材料输入㊁边界约束㊁荷载取值等设计参数一致,且建模过程并无错误,采用不同的有限元软件分析同一工程问题,其计算结果是基本一致的,但不同有限元软件有不同的侧重点和优势,应根据工程需要灵活选用.
参考文献
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s i so f ah a l f －t h r o u g h r e i n f o r c e d c o n c r e t e t i e d －a r c hb r i d g e b a s e d o nF E M p r o Ｇg
r a m A N S Y S [C ]//２０１１S e c o n d I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o nM e Ｇc h a n i cA u t o m a t i o n a n dC o n t r o l E n g i n e e r i n g ,J u l y １
５－１７,２０１１．I n n e rM o n g
o l i a ,C h i n a ．I E E E ,２０１１:３１６８－３１７０．
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