ANSYS在桥梁工程中的应用

ANSYS在桥梁工程中的应用

登录/注册后可看大图

更新时间：2004-05-11

随着社会经济和科学技术的快速发展，造桥技术不断进步，桥梁结构逐步向轻巧、纤细方面发展。与此同时桥梁的载重、跨径和桥面宽却不断增长，结构型式不断变化，传统的桥梁平面杆系结构程序已越来越不能满足设计要求，这就迫切需要功能齐全、性能可靠的综合分析程序来求解桥梁在各种因素作用下的力学特性，ANSYS 正是这种综合程序的代表。ANSYS 可以模拟桥梁预应力钢筋的松弛、混凝土的徐变、开裂、压溃以及结构温度应力（年温差、日照温差、混凝土水化热）等因素对桥梁的影响，同时也可以方便地计算出箱梁的畸变应力、剪力滞效应以及桥梁构件与支撑部位的接触状态；对于悬吊拉索结构桥梁，由于上部结构的柔软性，所以其风振是一个不容忽视的问题，用ANSYS 可以很好地模拟风力对桥梁的影响，如涡流激振、抖振、疾振和颤振；我国是地震多发带，几次大地震一再显示了桥梁结构破坏的严重后果，桥梁抗震分析的重要性已经不容置疑，ANSYS 可以提供适合桥梁地震响应分析的多点激励谱分析；此外，可利用ANSYSY 流固耦合分析功能进行精确的风振计算。 一、ANSYS 全桥仿真分析     ANSYS具有丰富的单元库及材料库，可以对任何结构形式的桥梁进行全桥仿真分析，如梁式桥、拱桥、刚架桥、悬索桥、斜拉桥等等。全桥仿真可以通过对各种载荷工况的组合，较为精确地反映出桥梁在各种因素作用下的综合特征，如桥梁的应力分布、变形情况、自振频率、振形、地震响应特征、失稳特征等等，尽量使桥梁既经济美观又安全可靠。 ■ 动力分析     黄河下游特大型公路斜拉桥  如图4.1，用ANSYS 对该桥进行全桥仿真，并对其动力特性进行分析，图4.2、4.3、4.4 和4.5 分别为该桥的第一、二、三和五阶振型。计算结果表明，ANSYS模拟结果与实测分析结果的频率相符，振型形态完全相同；斜拉索力值与实测值基本吻合，可以反映大桥斜拉索力的实际情况。                                    登录/注册后可看大图 图4.1 大桥模型                                    登录/注册后可看大图 图4.2 大桥一阶振形                        图4.3 大桥二阶振形                                    登录/注册后可看大图 图4.4 大桥三阶振形                     图4.5 大桥五阶振形     某独塔单索面斜拉桥  结构为塔、梁、墩固结体系，主跨为钢箱梁、副跨为混凝土箱梁。由于该桥受力复杂，所以按照其实际情况，运用ANSYS进行仿真分析，图4.6、4.7分别为该桥的第一、二阶振型，图4.8 为该桥在横桥向地震荷载作用下的变形情况。计算结果可以较真实地反映大桥的受力和变形情况。                                        登录/注册后可看大图        图4.6 一阶振型                                             登录/注册后可看大图 图4.7 二阶振型                                       登录/注册后可看大图 图4.8 地震荷载作用下的变形 ■ 静力分析     清华大学基于ANSYS 平台，进行了大跨度双向拉索斜拉桥及悬索桥新型结构布局的全桥仿真，研究和设计了新型“大跨度双向拉索斜拉桥”和“大跨度双向拉索悬索桥”，如图4.9，提供一种用于提高大跨度斜拉桥和悬索桥整体动力学特性和抗风能力的新型双向拉索结构体系，该发明所提供的结构体系可用于设计和建造跨度超过1000m，且对抗风能力和整体动力学特性有很高要求的跨江、跨海大型和特大型斜拉桥，特别适用于那些对稳定性有很高要求的铁路桥，该成果已申请到国家专利。     某大跨度钢结构拱桥  如图4.10，利用ANSYS对该桥进行强度、屈曲全桥仿真分析。图4.11 为该桥的轴力分布图。对该桥进行各种载荷工况组合，经过计算分析，发现图4.10 的某些杆件（红颜色赶件）不满足设计要求，需要重新设计。                                    登录/注册后可看大图 图4.9 新型大跨度双向拉索悬索桥                                        登录/注册后可看大图     图4.10 大跨度钢结构拱桥                                          登录/注册后可看大图 图4.11 大跨度钢结构拱桥的轴力     在进行桥梁仿真分析的过程中，离不开各种荷载的组合，桥梁所受的荷载复杂，但归纳起来可分为三类：永久载荷、可变载荷、偶然载荷，ANSYS 可模拟各种载荷工况，如图4.12，并对这些工况进行组合，如图4.13。                                    登录/注册后可看大图 图4.12 ANSYS 可模拟的桥梁载荷                                    登录/注册后可看大图 图4.13 工况组合     通过对荷载的组合，ANSYS 可以很方便地找出桥梁最不利荷载位置，如图4.14。                                    登录/注册后可看大图 图4.14 判断在活载作用下桥梁的最不利荷载位置 二、桥梁局部分析     黄洲大桥  是一座V 型刚构连续组合梁桥。V 形支撑的主要承载构件包括混凝土构件、普通钢筋、预应力钢筋，如图4.15，用ANSYS 针对V 型刚构进行详尽的数值分析计算，图4.16 为有限元模型，该模型克服了杆系结构有限元分析中由于各种假设条件所带来的不足，建立了局部完整的结构分析体系，得到详尽、准确、可靠的分析结果，图4.17 为主应力结果。目前分析结果已用于指导修改设计。                                              登录/注册后可看大图 图4.15 黄洲大桥V 型刚构                                                     登录/注册后可看大图 图4.16 有限元模型                                    登录/注册后可看大图 图4.17 主应力结果     京沪线汶口大桥排架墩  如图4.18，用ANSYS 研究桥墩在车桥耦合振动和结构与地基相互作用下横向位移的合理值。图4.19 为排架墩一阶模态。由计算结果表明排架墩的横向刚度相对较弱，墩顶最大横向位移是相邻重力式墩的十几至几十倍，说明排架墩存在横向刚度不足的隐患，影响了列车运行的平稳性和行车安全。这一点已被试验及分析证实。                                       登录/注册后可看大图        图4.18 有限元模型                                                      登录/注册后可看大图   图4.19 排架墩一阶模态     打黑渡怒江大桥拱架  如图4.20，为钢结构体系，采用万能杆件拼装而成，形成空间桁架。利用ANSYS 按照实际施工过程，计算从一节段到八节段悬臂施工的整个过程中拱架的变形、内力、应力和稳定性。计算表明拱架的过渡段应设置横向连接斜杆；拱架在分段施工过程中应加入斜向扣索，若未考虑斜向扣索，就会致使施工过程中杆件的应力超限，加入斜向扣索后，变形值会大大减小，拱架杆件的应力会相应降低。图4.21 为拱架一阶失稳模态.                                    登录/注册后可看大图 图4.20 打黑渡怒江大桥拱架及拱肋              图4.21 拱架一阶失稳模态                                    登录/注册后可看大图 图4.22 半拱一阶失稳模态                    图4.23 拱肋弯矩图     奉节长江大桥  位于重庆市奉节县，该桥桥型为预应力砼斜拉桥，双塔双索面，主跨460m，A 型塔最大塔高为213m。西南交通大学计算力学研究所以奉节长江公路桥2# 主塔墩为研究对象，利用ANSYS 对该桥进行了水位在173.44m 时桥墩地震动水压力的计算分析，计算考虑了100 年5%、100 年10% 和100 年63.2% 超越概率的人工合成地震波对桥墩产生的动水压力影响。计算模型包括墩外有水模型、墩内外有水模型和无水模型，并考虑了桩- 土的交互作用，土的作用采用等代弹簧模型，弹簧刚度由“m”法确定。流体采用声流体模型，即无粘性、小扰动、可压缩流体模型的流体单元，图4.24 和图4.25 中分别给出了计算模型中的结构有限元模型以及考虑水体和结构的有限元模型。图4.26为墩外有水模型在顺桥向作用100年5%的人工合成地震波时，t=9.16s 的变形图；图4.27 为横桥向作用100 年5% 概率水平人工合成地震波时，塔顶最大位移时程曲线。                                    登录/注册后可看大图 图4.24 结构的有限元模型                    图4.25 考虑水的有限元模型                                    登录/注册后可看大图   图4.26 墩外有水模型在顺桥向作用100 年5% 的    图4.27 横桥向作用100 年5% 概率水平人工合 人工合成地震波时，t=9.16s的变形图（m）         成地震波时，塔顶最大位移时程曲线     近年来，铁路建设迅猛地发展，列车速度不断提高，对列车运行的安全性、稳定性、舒适性，尤其是列车在桥梁上的安全性提出了新的要求，一方面，高速运行的列车在强劲的横向风载作用下，受到的气动力和力矩有使列车倾覆、脱离轨道的危险，特别是曲线桥梁上，当气动力和离心力叠加时，这一危险更为严重，因而必须考虑横向风对列车的稳定性产生的影响；另一方面，桥梁自身增大的风荷载和由列车传给桥梁的侧向力使桥梁所受侧向力明显增大。 三、车桥风载耦合分析     YZ22 型车辆单体、16 米T 型简支梁桥单体  如图4.28 长沙铁道学院利用ANSYS的CFD模块，计算横风中不同来流攻角下，车辆- 桥梁组合体的阻力系数和升力系数，通过计算可得出车辆- 桥梁在横风中的空气动力学特性、列车在桥梁上运行的临界倾覆风速、与离心力叠加时的横向稳定系数、桥梁设计风荷载值，并为风速监测、报警系统的建立提供可靠依据。图4.29、4.30、4.31 分别为车辆- 桥梁绕流的速度流迹图、车辆绕流的速度流迹图和桥梁绕流的速度流迹图。计算表明当车辆通过桥梁时，车辆和桥梁所受风荷载均比各自单独存在时明显增大，并认为在桥梁设计时，应考虑车辆过桥对桥梁风荷载的影响。                                        登录/注册后可看大图                 图4.28 YZ22 型车辆、T 型梁及路轨轮廓                                       登录/注册后可看大图 图4.29 车辆- 桥梁绕流的速度流迹图                                        登录/注册后可看大图          4.30 车辆单体绕流的速度流迹图                                         登录/注册后可看大图 图4.31 桥梁绕流的速度流迹图图 四、桥梁施工过程模拟     由于ANSYS具有独特的单元生/死（Birth/Death）及选择功能，所以可以模拟桥梁的各种施工过程，如梁的拼装过程、混凝土的浇注、索预应力的调节等等。                                    登录/注册后可看大图 图4.32 架设过程中的斜拉桥     某一架设过程中的斜拉桥如图4.3 2 。用ANSYS 对该桥的施工过程进行模拟，图4.33 为该桥在某一施工阶段，梁的应力和位移分布情况；图4.34 为当背索被张拉伸长1 米后，梁截面某些点的应力分布情况。图4.35 为当人从桥面板上行走时梁的振形。分析结果显示：混凝土桥面板和钢箱梁的厚度可以适当减小，从而使成本降低50%，并且通过计算发现在外载荷作用下该桥不会发生共振。                                              登录/注册后可看大图 图4.33 在某一施工阶段梁内的应力分布                                    登录/注册后可看大图 图4.34 背索受预张拉后截面的应力分布                                    登录/注册后可看大图 图4.35 人从桥面板上行走时梁的振形

做的漂亮，不过不知道支座怎样模拟最合适，还有桩土之间的相互作用！

有什么好东东放上来吧各位公子

个人浅见，用ansys模拟预应力有点麻烦.