基于Midas/Civil的異形變寬橋參數(shù)化建模探究

郭丁，方詩圣，莫安生，黃從俊

（1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥市市政設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230041；3.合肥市規(guī)劃設(shè)計研究院，安徽 合肥 230041）

基于Midas/Civil的異形變寬橋參數(shù)化建模探究

郭丁1，方詩圣1，莫安生2，黃從俊3

（1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥市市政設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230041；3.合肥市規(guī)劃設(shè)計研究院，安徽 合肥 230041）

隨著城市交通量的日益增加，城市立交的興起有效解決了城市道路擁堵的問題。城市立交梁橋一般采用變寬、分叉等異形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)往往依據(jù)道路線型進行設(shè)計。針對該種異形結(jié)構(gòu)，單梁計算模型已經(jīng)不能滿足計算精度的需要，為此采用梁格法進行分析。文章基于 MIDAS/Civil在梁格法中對異形橋前處理部分的薄弱，提出城市立交異形混凝土梁橋參數(shù)化建模方法，利用C/C++編程語言編寫城市立交異形橋建模助手程序，將橋梁參數(shù)批量寫入程序，然后導(dǎo)入到MIDAS/Civil中進行計算，能夠有效減少工作時間，提高設(shè)計效率。

異形橋；梁格法；MIDAS/Civil；前處理；C/C++

0 前 言

參數(shù)化建模，是將一組約定的參數(shù)與設(shè)計對象的特征幾何參數(shù)聯(lián)系起來，在進行梁體構(gòu)造特征設(shè)計時，只需按照設(shè)計思想給出多組特征參數(shù)即可得到相應(yīng)的連續(xù)幾跨橋的各個方位的結(jié)構(gòu)圖。參數(shù)化建模是提高結(jié)構(gòu)設(shè)計分析全過程的有效途徑，將結(jié)構(gòu)的模型信息簡化成有限的參數(shù)進行建模，能夠大大減少前處理所花費的時間，提高設(shè)計效率［1-2］。

目前針對異形橋梁，工程中采用的主要研究方法是有限元法，按其不同的離散形式可以分為空間梁單元法、空間板單元法、實體單元發(fā)以及梁格法［3-4］。一般設(shè)計人員所采用的方法主要是空間梁單元法和梁格法，在單箱多室箱梁計算中，梁格法可以得到比單梁模型更精確的結(jié)果［5］。

目前在實際工程中針對異形橋的主要建模途徑是利用 CAD與 CAE之間的交換文件進行模型的建立，如AUTOCAD的DXF文件，這種操作方法建模直觀、準(zhǔn)確性高，但是應(yīng)用起來操作不方便，當(dāng)下的計算軟件如橋梁博士、MIDAS/Civil等，在前處理方面對該種橋型在梁格法方面并沒有給予太多的支持，只能依靠交換文件方式進行建模，這種建模方式需要進行大量的重復(fù)勞動，耗時長、易出錯，因此，亟需開發(fā)一個程序代替這種方式進行參數(shù)化建模。

1 參數(shù)分類

針對該種異形橋梁結(jié)構(gòu)，選取其中相對較有特點和共性的梁橋進行研究，提取具有代表性的參數(shù)，在平面線型中分為等寬、單側(cè)變寬、雙側(cè)變寬等橋型，豎向采用等高度箱梁，其中，等寬橋在分類上并不屬于異形橋，但是為了驗證程序的準(zhǔn)確性及普適性，從等寬橋開始做起，然后逐步加大或減少箱梁寬度，變換成單側(cè)變寬及雙側(cè)變寬類型。本文將以變寬橋為例，分析參數(shù)化建模的具體方法，并進行參數(shù)分類。

如圖1所示，單側(cè)變寬的平面布置，其中一側(cè)腹板的在沿橋縱向上呈直線型，另外幾條腹板沿橋向呈曲線變化，根據(jù)實際情況，橋梁線型一般根據(jù)道路線型擬定，在這里一般采用直線+圓曲線的組合方式，其中，各個參數(shù)所表示的含義如圖1所示。

圖1 變寬示意圖

其中，各個參數(shù)的含義如下，箱梁寬度由B0過渡到Bn，橋梁總長為L，分跨長度分別為L1、Li、Ln，變寬點距離左側(cè)箱梁截面為L0，以單箱三室為例，箱室寬度分別為b1、b2、b3，進過變化后分別為d1、d2、d3，腹板寬度取值fb，懸臂長度取值b0，以上為平面參數(shù)，但是僅僅依靠平面參數(shù)并不能完全確定整個橋梁的模型，因此還需要截面參數(shù)。

圖2所示，即為箱梁的截面參數(shù)。

在平面參數(shù)中已經(jīng)提到的以外，還有一些截面參數(shù)：

h1是懸臂端厚度，懸臂板程序默認(rèn)成直線變化，中間無折點，厚度從h1變化到h2，h2作為懸臂根部厚度。h3、h4分別為頂?shù)装搴穸?，箱室上倒角寬和高分別為a1和c1，箱室下倒角分別是a2和c2。

圖2 截面參數(shù)示意

2 基于MIDAS/CIVIL的程序設(shè)計

2.1 MIDAS/CIVIL簡介

MIDAS/Civil是針對橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計計算的大型有限元分析軟件，該軟件直觀、簡潔，功能強大。MIDAS/Civil并沒有針對城市立交異形橋提供建模助手工具，目前在MIDAS/Civil中進行異形橋的建模只能通過 AutoCAD所生成的 DXF文件，然后導(dǎo)入到MIDAS/Civil中，生成節(jié)點和單元，然后賦予截面、邊界等其他信息，這種方法需要借助AutoCAD，操作起來較麻煩，而且結(jié)構(gòu)需要改動時，需要在AutoCAD中重新修改，用起來十分繁瑣。

2.2 MCT文件簡介

MIDAS/Civil的數(shù)據(jù)文件“MIDAS/Civil Text”，簡稱是“MCT”文件，MCT文件包含了模型的所有信息，包括節(jié)點、單元、邊界條件等所有結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，在MIDAS/Civil圖形用戶界面（GUI）中輸入的所有信息，在MCT中均有反映，在MCT文件中，各種信息以不同的形式存儲在文件中。

MIDAS/Civil并未提供參數(shù)化設(shè)計語言，只能通過另外的方法來實現(xiàn)MIDAS/Civil中的參數(shù)化建模。通過對MCT文件格式的研究，可以利用C/C++程序編制MCT文件生成軟件，并開發(fā)相應(yīng)的交互界面，通過輸入少量的參數(shù)，完成異形橋的參數(shù)化建模，并導(dǎo)入到MIDAS/Civil中，在完善相關(guān)信息之后，完成城市立交異形橋的建模。

2.3 城市立交異形橋建助手程序開發(fā)

C++是在 C語言基礎(chǔ)上開發(fā)的一種通用編程語言，它的優(yōu)點是支持多種編程范式—面向?qū)ο缶幊?、泛型編程和過程化編程，而且C++語言靈活，運算符的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)豐富、具有結(jié)構(gòu)化控制語句、程序執(zhí)行效率高。

首先建立程序框架，根據(jù)需要輸入的參數(shù)建立程序界面，主要可以分為基本參數(shù)、主體參數(shù)、橋跨分割參數(shù)及箱室參數(shù)幾大類。根據(jù)輸入的梁體參數(shù)信息，在程序中進行MCT文件的生成，在程序開發(fā)過程中，主要是按照節(jié)點—單元—截面等信息依次進行輸入，完成城市立交異形橋建模助手的開發(fā)。

3 工程實例分析

3.1 工程總體信息

某城市立交主線變寬橋，橋跨信息為3×30m預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋，采用等高度箱梁，梁高 2.2m，單箱三室截面，橋面寬度從20.05m逐漸變化到16.25m，等寬段長度為50m，曲線段腹板線型采用圓曲線。在程序中自動劃分梁格，各個腹板對應(yīng)的縱梁分別定義為縱梁一、縱梁二、縱梁三、縱梁四。如圖3所示為橋梁腹板中心線走向圖。下面結(jié)合開發(fā)的城市立交異形橋建模助手，在 MIDAS/CIVIL中建立該橋梁計算模型。

圖3 橋梁布置示意圖

3.2 參數(shù)輸入

①梁體參數(shù)輸入，在MIDAS/Civil中，首先要建立節(jié)點和單元，分別輸入橋梁的三跨信息，頂板厚度為0.22m，頂板厚度由0.42m變化到0.22m，腹板厚度由0.65m變化到0.35m，在建模時做以下近似處理，頂?shù)装搴穸热?.22m，腹板寬度取0.35m。

②在程序界面中輸入各項參數(shù)，點擊“單側(cè)變窄橋輸入”按鈕，可以生成該橋的MCT文件，然后將此MCT文件導(dǎo)入到MIDAS/Civil中，完成梁體模型的創(chuàng)建。如圖4所示是模型參數(shù)輸入窗口，如圖5所示是導(dǎo)入到MIDAS/Civil中顯示的模型。

3.3 結(jié)果對比

梁體參數(shù)導(dǎo)入到MIDAS/Civil中，進行計算分析，并與單梁模型進行比較。首先進行支座反力的比較，支座布置形式如圖3所示，在自重荷載作用下，各個支座及橫梁所承受的支座反力如圖6所示。

單梁模型和梁格模型的支座反力有較大差別，原因是在單梁模型只能模擬出一根曲線縱梁，無法準(zhǔn)確模擬曲線內(nèi)側(cè)和外側(cè)的支座受力，而梁格法則可以較精確的計算，由每個橫梁所承受的反力情況來看，程序所生成的模擬和原模型差別很小，說明梁格法能夠更好地模擬支座受力的實際情況。

圖7是單梁模型與梁格模型的跨中彎矩數(shù)據(jù)對比。

圖4 參數(shù)輸入界面

圖5 MIDAS/CIVIL梁體模型（渲染后）

圖6 支反力計算數(shù)值柱狀圖（單位：kN）

圖7 跨中彎矩計算結(jié)果柱狀圖（單位：kN m）

由圖7，梁格總彎矩與單梁彎矩相差不大，在5%左右浮動，由于單梁模型采用平截面假定，并不能完全反應(yīng)出各個腹板的受力狀態(tài)，梁格模型能夠輸入各個腹板的受力狀態(tài)，相比單梁模型具有更高的精度。

3.4 建模時間對比

根據(jù)統(tǒng)計，對該種橋型，采用手工建模的時間與采用該軟件所用的建模時間，在只進行前處理部分的情況下的所需時間對比，由圖8可以看出，使用該前處理軟件大大縮短了建模所需的時間，具有一定的實踐意義。

圖8 建模時間對比柱狀圖

4 結(jié) 論

①采用該異形橋建模助手在MIDAS/Civil中建立有限元模型，能夠?qū)?fù)雜的建模簡化為有限的參數(shù)，建模方式簡單易操作。

②該異型橋建模助手具有較好的精度，能夠輸出各個腹板的受力狀態(tài)，在分析變寬形異形橋時可優(yōu)先采用。

③經(jīng)實踐，該異形橋建模助手能夠有效簡化建模步驟，減少建模時間，據(jù)統(tǒng)計，對于該種異形結(jié)構(gòu)的建模時間能夠縮短50%以上，能夠?qū)⒃O(shè)計人員從復(fù)雜的模型中解放出來，大大提高了設(shè)計效率。

［1］原軍鋒，孫林夫.面向方案的箱型截面梁體結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模探討［J］.計算機應(yīng)用，2000（20）：89-90.

［2］陳明，胡世德.基于知識的橋梁參數(shù)化建模［J］.工程圖學(xué)學(xué)報，2011（5）：1-9.

［3］陳鵬，季文玉.異形橋整體設(shè)計［J］.中國鐵道科學(xué)，2006，27（1）：48-52.

［3］［日］伊藤學(xué).橋梁造型［M］.劉健新，丕莊，譯.北京：人民交通出版社，1998.

［4］［美］漢勃利E.C..橋梁上部結(jié)構(gòu)性能［M］.郭文輝，譯.北京：人民交通出版社，1982.

［5］劉明.梁格法在單箱多室曲線梁橋受力分析中的應(yīng)用［J］.湖南交通科技，2015（2）.

U442.5

A

1007-7359（2016）02-0103-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.036

2014年度安徽省建設(shè)行業(yè)科學(xué)技術(shù)計劃項目（軟科學(xué)及科研開發(fā)項目）（編號：2014YF-11）。

郭丁（1989-），男，江蘇徐州人，合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院在讀碩士，研究方向：城市道路與橋梁。