某连续梁拱桥的空间仿真分析

　　摘要：采用得到广泛应用的ANSYS结构分析软件，建立某连续梁拱桥成桥阶段仿真分析模型，分析结构在二期铺装以及活载作用下稳定性问题以及结构整体受力状况。计算结果表明，结构在成桥状态稳定性满足要求，应力与挠度在规范允许范围之内，说明ANSYS在结构仿真分析计算中能得到良好的应用。
　　关键词：ANSYS，连续梁拱桥，仿真分析，稳定性
　　仿真分析计算作为有限元分析的一种手段，凭借其在桥梁结构的设计计算中体现出的快速准确的特点，结合大量商用专业桥梁分析软件应用到桥梁设计与施工监控中，为桥梁的优化设计与安全施工提供了极大的助力。本文应用ANSYS软件建立某大跨连续梁拱桥的空间杆系模型，真实模拟结构的构造特性、边界条件以及荷载状况，分析验证结构在成桥状态下的受力状况，为桥梁的安全运营提供理论依据。
　　1工程背景
　　某大跨连续梁拱桥为跨线桥，主桥桥式采用60+128+60m连续梁拱桥（见图1所示），主桥平面位于直线上，线间距为4.0m，纵坡G=0‰。桥梁设计活载为中-活载，线路等级为双线I级铁路，设计时速为120km/h客货共线，满足双层集装箱列车开行条件。
　　
　　图1：桥梁三维结构图
　　主梁为预应力混凝土结构，采用单箱单室变高度箱型截面，跨中及边支点处梁高3.2m，中支点处梁高6.5m。拱肋计算跨度l=128.0m，设计矢高f=25.6m，矢跨比为1/5，拱轴线采用二次抛物线。拱肋实际施工均采用施工拱轴线制作和拼装；拱肋为钢管砼结构，采用等高度哑铃形截面，截面高度2.8m，拱肋弦杆及缀板内填充微膨胀混凝土。两榀拱肋间共设置8道横撑，横撑均采用空间桁架撑，各横撑钢管内不填充混凝土。
　　吊杆顺桥向间距8m设置，全桥共设14组双吊杆，吊杆上端穿过拱肋，锚于拱肋上缘张拉底座，下端锚于吊点横梁下缘固定底座。
　　2有限元仿真分析模型
　　全桥结构仿真分析的核心是摒弃长久以来以桥梁计算所采用的过多的人为假设。比如假设计算体系或计算平面的划分与组合、假设构件的连接方式为铰接或者刚接、假设计算模型的边界条件以及将结构的加载形式做等效替换等。现行的全桥结构仿真分析克服上述这些假设所带来的不足，建立完整、统一的全桥结构分析体系，在该体系下构造全桥所有构件的组合形式数学模型。该模型准确模拟构件的空间位置、尺寸、材料特性、连接形式、荷载作用、初始内力和初始变形等，运用限制变形—还原内力原理确立结构仿真分析的初始形态，在此基础上进行大规模的全桥结构效应分析计算，由此得到相对详尽、精细和可靠的分析结果。[1]仿真分析技术相对于以前的计算手段而已有着不言而喻的优势：首先，全桥结构仿真分析采用统一结构分析体系的数学模型，无需如传统计算方法一般先按照结构体系分层计算，然后叠加组合的方式，加快了计算的进程。；其次，能够更为真实地模拟节点之间的连接形式，克服了传统计算方法的单一的线单元连接方式；再次，能够更为准确地模拟结构的加载形式；最后，则是能够计算更为复杂的结构体系，提升了其应用范围。
　　ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。经过30多年的发展，ANSYS逐渐为全球工业界所广泛接受。ANSYS用户涵盖了机械制造、航空航天、能源化工、交通运输、土木建筑、水利、电子、地矿、生物医学、教学科研等众多领域，是这些领域进行设计技术交流的主要分析平台。ANSYS软件的开放式结构允许对它进行用户化定制，从而为桥梁结构有限元分析提供了新的途径，可以针对桥梁结构的实际问题对该软件进行二次开发,使其分析功能得到扩充，更好地满足桥梁结构分析要求[2]。其中，运用最为广泛的APDL语言二次开发几乎可以完成用户的任意功能要求，因此在桥梁仿真分析中占有极为重要的地位。
　　本模型采用ANSYS建模，以ANSYS命令流格式，编写建立连续梁拱桥有限元模型的数据文件,包括结构的节点信息、单元信息、材料信息、实常数信息、约束信息以及荷载信息。全桥共872个单元。主梁采用beam44单元，吊杆采用link10单元，拱肋采用beam189单元。吊杆上端节点与拱肋共节点，吊杆下端节点与主梁通过刚臂固结处理，同样，拱肋拱脚处与主梁通过刚臂固结处理。主梁为采用C55混凝土，采用C40钢筋混凝土,其材料常数取为E=3.55×104MPa,ρ=2.5×103kg/m3，μ=0.2；吊杆采用平行钢丝束，材料常数取为E=1.9×105MPa,ρ=7.85×103kg/m3，μ=0.3。刚臂实常数取为E=3.55×104MPa，μ=0.2。计算结构在成桥状态受力状况，吊杆初拉力采用初应变的方式施加，二期铺装采用梁单元荷载施加，移动荷载根据《铁路桥涵设计基本规范》换算成均布荷载和集中荷载进行施加[3]。
　　3结果分析
　　（1）结构稳定性分析
　　抽取计算结果中前5阶屈曲模态，得到稳定系数如下表1所示。下图为结构一阶屈曲振型。分析计算结果，发现该拱桥主要以拱肋面外失稳为主，说明结构横向刚度较小，这主要是其宽跨比较小导致的[4]。
　　
　　图2结构一阶屈曲图
　　表1结构稳定系数
　　阶数 1 2 3 4 5
　　稳定系数 4.22 4.26 5.90 6.63 7.52
　　对于拱桥的稳定系数，桥梁规范中并没有明确的说明，根据《铁路桥涵设计基本规范》规定，对变截面拱，其稳定系数不得小于4~5[3]，由上表可知，本桥稳定性满足要求。
　　（2）结构内力位移分析
　　
　　图3自重+二期铺装结构变形图（单位：m）
　　在结构自重和二期铺装作用下，跨中位置处最大位移为91.7mm。
　　
　　图4移动荷载结构变形图(单位：m)
　　在活载作用下，结构最大位移为11.9mm。在活载作用下，结构下挠较小，说明主梁有较大的竖向刚度。
　　
　　图5主梁应力云图(单位：Pa)
　　
　　图6拱肋应力云(单位：N•m)
　　
　　图7吊杆应力云图(单位：Pa)
　　在自重及二期铺装荷载作用下，主梁最大压应力为11.8Mpa，小于C55混凝土的抗压极限强度要求；由于拱肋采用188单元，无法分离钢管拱肋与混凝土拱肋，所得到拱肋最大轴向压应力为二者等效轴向压应力14.5Mpa，吊杆最大拉应力为147Mpa，很明显地，上述结果均满足结构安全使用要求，具有比较大的安全度。另外，采用专业桥梁分析软件Midas/Civil建立空间杆系模型进行验证，得到，在在结构自重和二期铺装作用下，跨中位置处最大位移为100mm，在活载作用下，结构最大位移为14mm。主梁在自重和二期铺装作用下最大压应力为15.7Mpa。两者结果比较接近，反映了ANSYS模拟具有较强的可靠性。
　　4结论
　　通过计算分析发现，虽然结构稳定系数满足规范要求，但应该注意拱肋的横向刚度相对较弱的问题，必须着重监督拱肋与风撑的焊接质量，以保证横向连接的安全与稳定。在自重和二期铺装荷载以及移动荷载作用下结构的应力和挠度均能满足结构的健康运营，具有较好的安全度。由此说明，ANSYS能够较好地模拟桥梁成桥状态结构受力性能，取得了比较清晰可信的结果。
　　参考文献：
　　[1]郑凯锋,唐继舜.铁路钢桥的全桥结构仿真分析研究(J).铁道学报,1999(1).
　　[2]卫星,强士中.利用ANSYS事先斜拉桥非线性分析(J).四川建筑科学研究,2003(4).
　　[3]中华人民共和国铁道部。TB10002.1-2005.铁路桥涵设计基本规范[S].
　　[4]周岑,郑凯锋,范立础.大跨度石拱桥的全桥结构仿真分析(J).土木工程学报,2004(3).