MAIDAS在橋梁結(jié)構(gòu)模型設計中的應用

摘要：文章介紹應用MIDAS Civil軟件建立結(jié)構(gòu)模型進行有限元分析，具有直觀、快捷、便于結(jié)構(gòu)調(diào)整和計算準確等諸多優(yōu)點。將其用于橋梁結(jié)構(gòu)模型設計，進行結(jié)構(gòu)在不同荷載組合作用下的力學變形分析，使橋梁結(jié)構(gòu)模型滿足設計要求。

[作者簡介]張皓翔（2001—），男，在讀本科，研究方向為橋梁、隧道等土木工程。

作為一款通用的空間有限元分析軟件，MIDAS Civil適用于橋梁、建筑等各類工程結(jié)構(gòu)的設計分析，在結(jié)構(gòu)設計建模、分析、后處理等方面提供了諸多便利功能。本文結(jié)合在重慶交通大學第八屆結(jié)構(gòu)設計競賽中的橋梁結(jié)構(gòu)模型設計實例，利用MIDAS Civil進行設計計算與分析。

1 橋梁模型設計概況

以斜拉+桁架組合橋型的橋梁結(jié)構(gòu)模型為例，設計橋梁總長1 200 mm，橋梁跨度為75 mm+825 mm+300 mm，橋面寬150 mm，沿橋橫向的橋墩支座中心距600 mm。橋墩、橋跨均采用桁架結(jié)構(gòu)，桁架高81 mm，立腹桿間距75 mm。

桁架上弦桿采用高6 mm、上、下翼板寬6 mm、腹板寬4 mm的工字形竹桿件，下弦桿、端部斜桿和索塔立柱均為6 mm×6 mm規(guī)格竹桿件，桁架立腹桿采用6 mm×3 mm規(guī)格竹桿件，主跨斜拉桿采用2 mm×2 mm規(guī)格竹桿件，橋梁結(jié)構(gòu)其他桿件均采用3 mm×3 mm規(guī)格竹桿件，橋面采用150 mm×1 mm竹片（圖1）。

竹材密度0.8 g/cm3，順紋抗拉強度60 MPa，抗壓強度30 MPa，彈性模量6 GPa。

2 橋梁建模

按以下步驟建立橋梁結(jié)構(gòu)模型，①設置單位系;②自定義竹材彈性模量6×103 N/mm2和容重0.007 84 N/cm3;③定義各種桿件截面及橋面板;④通過節(jié)點及單元功能建立橋梁模型;⑤定義橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部連接;⑥定義橋梁結(jié)構(gòu)的支承類型;⑦依次設置自重荷載等恒載、活荷載;⑧設定荷載組合。完成建模后，運行分析和查看計算結(jié)果。

（1）選擇單元類型。斜拉索定義為“只受拉/鉤/索單元”，橋面板定義為“板單元”，其余桿件定義為“一般梁/變截面梁單元”。

（2）建立邊界條件。索塔、主橋及橋墩之間接觸處均采用彈性連接-剛性連接。如圖1，每個橋梁支座共設4處一般支承，其中1處支承選擇D-ALL及RZ，其余3處支承選擇DZ、RZ。

（3）建立荷載。橋梁自重荷載取值Z=-1。分兩級建立橋梁活載，如圖1，一級荷載在主梁兩側(cè)對稱布置80 N、70 N、50 N、60 N的點荷載;二級荷載則將對稱布置的50 N點荷載改為橋梁一側(cè)點荷載100 N，另一側(cè)點荷載為0。在每個活載作用點按掛盤重量500 g設置點荷載為4.9 N。

（4）設定荷載組合。一級荷載組合為自重+掛盤重+一級荷載;二級荷載組合為自重+掛盤重+二級荷載。

3 結(jié)構(gòu)計算分析

橋梁結(jié)構(gòu)模型建好后，先用軟件自帶功能檢查是否存在重復單元，然后再點擊運行分析按鈕，完成分析后即可查看橋梁受力變形情況（圖2～圖4）。

3.1 桁架計算分析

選擇梁單元應力和一級荷載組合，見圖2和圖3，橋梁結(jié)構(gòu)的組合應力最大值為31.5 MPa，彎曲應力最大值為16.7 MPa，低于竹桿件容許拉應力60 MPa;組合應力最小值為-25.2 MPa，彎曲應力最小值為-23.9 MPa，低于竹桿件容許壓應力30 MPa。

如圖4所示，一級荷載組合作用下的橋梁撓度W=2.0 mm，小于最大允許撓度限值[w]=±10 mm，符合設計要求。

選擇梁單元應力和二級荷載組合，橋梁結(jié)構(gòu)的組合應力最大值為37.9 MPa，彎曲應力最大值為21.8 MPa，低于竹桿件容許拉應力60 MPa;組合應力最小值為-25.2 MPa，彎曲應力最小值為-25.0 MPa，低于竹桿件容許壓應力30 MPa;橋梁撓度W=2.2 mm，小于最大允許撓度限值[w]=±10 mm，符合設計要求。

3.2 斜拉桿計算分析

選擇桁架單元應力-受拉和一級荷載組合，見圖5，橋梁斜拉桿承受的最大拉應力為σ=5.1 MPa，小于竹桿件容許拉應力60 MPa，符合設計要求。

選擇桁架單元應力-受拉和二級荷載組合，橋梁斜拉桿承受的最大拉應力為σ=5.3 MPa，低于竹桿件容許拉應力60 MPa，符合設計要求。

3.3 橋面板計算分析

選擇平面應力單元/板單元應力和一級荷載組合，見圖6，橋面板承受的最大拉應力為σ=1.6 MPa，小于竹桿件容許拉應力60 MPa，符合設計要求。

選擇平面應力單元/板單元應力和二級荷載組合，橋面板承受的最大拉應力為σ=1.7 MPa，低于竹桿件容許拉應力60 MPa，符合設計要求。

4 結(jié)束語

作為跨越山澗、河流等為滿足交通需要而架設的建筑物。橋梁與人們的生活密切相關，橋梁結(jié)構(gòu)形式眾多、結(jié)構(gòu)復雜，在橋梁結(jié)構(gòu)設計中應用MAIDAS Civil等有限元分析軟件進行計算分析十分快捷簡便，本文在竹制橋梁結(jié)構(gòu)模型設計中應用MAIDAS Civil軟件，在結(jié)構(gòu)模型設計中具有很好的推廣應用價值。

參考文獻

[1] 邱順冬.橋梁工程軟件midasCivil應用工程實例[M].北京：人民交通出版社，2011.