中承式鋼箱提籃拱橋在不同軟件分析下的結(jié)果對比

胡良紅， 黃飛鴻， 劉 信

(1.中國華西工程設(shè)計建設(shè)有限公司安徽分公司，安徽，合肥 230032；2.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽，合肥 230009；3.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，安徽，合肥 230088)

0 引 言

隨著科技的進步，有限元分析軟件越來越多，而不同的學者和研究人員學習和使用的軟件也各不相同，然而對于同一問題，可以采用多種有限元軟件進行分析。例如分析橋梁受力特征，可以采用橋梁博士、MIDAS Civil、ANSYS等；分析結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，可以采用ANSYS、ABAQUS、OpenSees等；分析巖土結(jié)構(gòu)的受力特性，可以參與FLAC3D、MIDAS Gen等。為比較不同有限元軟件分析同一問題之間的差異，本文以某座中承式鋼箱提籃拱橋為背景，采用ANSYS和MIDAS Civil分別建模，從模型輸入、靜力響應(yīng)和動力特征參數(shù)三方面進行比較分析。

1 有限元模型建立

1.1 工程概況

背景橋梁主橋采用跨度為120 m的中承式鋼箱提籃拱橋[1]，受力模式屬于拱梁組合體系結(jié)構(gòu)[2]，主橋拱圈為雙肋單箱單室變截面鋼箱拱，拱軸線在拱肋平面內(nèi)為二次拋物線，矢跨比為1∶3，矢高為40 m，如圖1所示。主拱肋豎向與水平面的夾角為75°，內(nèi)傾角為15°。兩拱肋之間用3道鋼箱橫撐連為一個整體。主拱肋分為鋼箱拱肋和實心矩形預(yù)應(yīng)力混凝土兩部分，尺寸由1.5 m×2.0 m漸變?yōu)?.5 m×4.5 m。橋梁主跨橋面系采用正交異性鋼橋面板[3]結(jié)構(gòu)形式。橋面板厚度為16 mm，橫橋向用高強螺栓與鋼縱梁進行栓接。橋面板由4根I型小縱梁進行支撐，小縱梁之間再設(shè)置U型加勁肋，橫梁采用工字型，縱橋向間距為3 m，吊桿與鋼梁的錨固結(jié)構(gòu)為全焊結(jié)構(gòu)。吊桿采用Φ15-15及Φ15-27鋼絞線。本橋共設(shè)14對吊桿，沿橋軸方向吊點標準中心距為6.0 m。主橋兩側(cè)的人行輔橋分為兩部分，第一部分采用開口截面，與主橋相連。第二部分為鋼箱截面，立面采用1.7次拋物線，平面為圓弧線。主拱座采用承臺接群樁基礎(chǔ)。吊桿編號如圖2所示。

圖1 橋梁總體布置圖

圖2 吊桿編號

1.2 ANSYS有限元模型建立

車行橋和人行橋的拱肋、橫撐、挑梁均為帶有縱向加勁肋的鋼箱梁，其中拱肋為變截面鋼箱梁，截面構(gòu)造較為復(fù)雜，故選用軟件中支持自定義截面類型的Beam 188單元進行模擬，每個節(jié)點有3個自由度，可用于彈塑性分析，支持自定義截面[4]?？v橫梁亦采用該單元類型，截面均為在CAD中繪制后導入ANSYS中。吊桿采用Link180單元，該單元支持大變形、大應(yīng)變，可輸入初應(yīng)力，且設(shè)置為僅受拉，非常適合模擬索結(jié)構(gòu)。全橋共離散梁單元1 256個，桿單元28個，如圖3所示。

圖3 橋梁ANSYS有限元模型

橋梁的邊界條件按照設(shè)計圖紙要求進行約束，承臺底部固結(jié)，拱肋與承臺連接及橋面板約束條件如圖4所示。

圖4 橋梁邊界條件布置圖

1.3 MIDAS Civil有限元模型建立

MIDAS Civil有限元模型中拱肋、橫撐、挑梁、橋面系縱梁及橫梁均采用梁單元進行模擬，均使用SPC[5]自定義截面功能導入；吊桿采用只受拉桁架單元進行模擬。荷載取值及邊界條件設(shè)置與ANSYS模型中保持一致。全橋同樣共離散梁單元1 256個，桿單元28個，如圖5所示。

圖5 橋梁MIDAS Civil有限元模型

2 比較分析

2.1 模型輸入條件對比

兩種模型中的截面均是由CAD導入，ANSYS中使用的是Beam 188單元的自定義截面功能，MIDAS Civil中使用的是SPC自定義截面功能，兩種方法的導入精度會有所不同。本文選取拱肋跨中位置截面、拱腳位置截面、縱梁截面、橫梁截面，將兩種模型計算的截面特性值與使用材料力學方法計算的截面特性值進行對比[6]，結(jié)果見表1。

表1 截面特性值對比表

由表1可知，ANSYS與MIDAS Civil軟件計算出來的截面特性值與采用材料力學方法計算出來的截面特性值都非常接近，誤差均小于1%，因此，可以認為在截面導入方面，兩種有限元軟件之間并無明顯差異。

2.2 靜力計算結(jié)果對比

靜力計算通常可以用來驗證結(jié)構(gòu)的強度、剛度和穩(wěn)定性，是工程計算中基礎(chǔ)的工作，本文靜力計算不做移動荷載分析，成橋后將活載以車道荷載形式加到橋面系上，視為恒載處理，故該部分只計算恒載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的受力響應(yīng)。

本文計算了拱肋1/2、拱腳位置、縱梁1/2及橫梁1/2位置處應(yīng)力，因結(jié)構(gòu)是對稱的，僅列出左側(cè)計算結(jié)果，見表2。吊桿是中承式提籃拱橋的重要構(gòu)件，其安全與否決定了整個結(jié)構(gòu)的安全性能，故對吊桿內(nèi)力進行計算是非常有必要的，兩種軟件吊桿內(nèi)力的計算結(jié)果如圖6所示。

表2 靜力計算結(jié)果表

圖6 吊桿內(nèi)力計算結(jié)果圖

由表2可知，ANSYS應(yīng)力計算結(jié)果與MIDAS Civil計算結(jié)果基本一致；圖6顯示了兩種模型計算的吊桿內(nèi)力基本一致，跨中位置幾根長吊桿僅相差7 kN；而兩側(cè)的短吊桿雖然差值最大達到49 kN，但也只相對差4.72%，仍在可接受范圍之內(nèi)，因此可認為采用相同的荷載和邊界條件，兩種軟件的計算結(jié)果并無明顯差異。

2.3 動力特性計算結(jié)果對比

橋梁的動力特性是衡量結(jié)構(gòu)整體剛度及使用性能的重要指標之一，結(jié)構(gòu)固有頻率和振型是最基本的動力特性參數(shù)，模態(tài)分析[7]是一種典型的線性分析方法，是開展其他動力學分析的基礎(chǔ)性工作[8]。使用ANSYS模態(tài)分析模塊與MIDAS Civil特征值分析功能，分別對背景橋梁進行動力特性計算，求解橋梁固有頻率及前三階振型，計算結(jié)果見表3。

表3 橋梁動力特性計算結(jié)果表

由表3可知，兩種模型計算的橋梁結(jié)構(gòu)固有頻率及自振周期基本一致，振型特征是完全吻合的，說明了兩種模型的整體剛度是基本一致的。前三階的振動主要是拱肋的振動，第一、二階均為拱肋在橫橋向的振動，第三階則為拱肋在順橋向的振動，周期衰減。

3 結(jié) 論

本章依托某中承式鋼箱提籃拱橋為工程背景，使用有限元分析軟件ANSYS及MIDAS Civil分別建立了有限元模型，來探討不同有限元分析軟件分析同一工程實例之間的差異，分析可得以下結(jié)論：

(1) 模型輸入條件方面，在控制材料參數(shù)與設(shè)計要求保持一致的前提下，兩種有限元軟件計算的截面特性基本一致，且與力學理論計算值很接近。

(2) 靜力響應(yīng)方面，采用相同的荷載和邊界條件，兩種軟件的計算結(jié)果并無明顯差異。

(3) 動力特性參數(shù)方面，兩種軟件計算的橋梁結(jié)構(gòu)固有頻率及自振周期基本一致，說明了兩種模型的整體剛度基本一致。

說明只要保持材料輸入、邊界約束、荷載取值等設(shè)計參數(shù)一致，且建模過程并無錯誤，采用不同的有限元軟件分析同一工程問題，其計算結(jié)果是基本一致的，但不同有限元軟件有不同的側(cè)重點和優(yōu)勢，應(yīng)根據(jù)工程需要靈活選用。