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吉林大学远程教育本科生毕业论文（设计）中文题目预应力混凝土连续梁桥的稳定性分析二号、黑体、加粗学生姓名张三峰专业土木工程层次年级2006专升本学号2043010101101指导教师欧阳峰职称副教授学习中心 成绩四号、宋体2007 年 7 月 13 日吉林大学远程教育2008届本科生毕业设计（论文）五号、宋体、居中三号、黑体、居中摘 要四号、宋体、首行缩进2字符随着社会经济和科学技术的发展，造桥技术不断进步，桥梁结构向轻巧、纤细方面发展。然而，桥梁的载重、跨径和桥面跨度不断增长，结构形式不断变化。对桥梁进行较为精确的受力分析，合理模拟各种工况下的动态响应，对于桥梁的设计与安全控制有着十分重要的现实意义。大型有限元分析软件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等因素对桥梁的影响，同时还可以方便的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。从竞争和技术发展的角度看，采用计算机辅助工程分析技术是大势所趋。本文利用ANSYS对汽车-超20满载作用下的预应力混凝土连续梁桥的梁板进行了整体稳定性分析，介绍了一种利用ANSYS进行结构分析的方法。建模选取SOLID65和Link8作为混凝土和预应力钢筋单元，模拟了梁板在有、无配置预应力钢筋两种情况下的受力。结果得出了梁板的主应力等值线图、挠度曲线及预应力筋受力曲线，对结构进行了稳定性验算。通过分析找出了梁的薄弱点，提出了解决问题的观点。并将两种情况比较，得出各自的优缺点，为结构的设计和优化提供了有力的依据。关键词：ANSYS，预应力，混凝土梁桥四号、宋体关键词之间要有逗号一般为3到5个iii三号、黑体、居中目 录五号、宋体建议自动生成！第1章 绪言11.1 桥梁概述11.1.1 桥梁发展现状11.1.2 桥梁的组成和分类11.1.3 桥梁设计荷载11.2 ANSYS在桥梁结构分析中的应用31.2.1 ANSYS在计算机辅助工程中的地位31.2.2 ANSYS桥梁结构工程应用41.3 本论文主要研究内容5第2章 预应力混凝土梁桥计算62.1 预应力混凝土构件概述62.1.1 预应力混凝土的分类62.1.2 张拉预应力的方法62.1.3 预应力混凝土结构的材料特性62.2 梁桥预应力计算62.2.1 张拉控制应力62.2.2 预应力损失62.3 梁板截面应力计算62.3.1 基本假定62.3.2 梁板截面应力计算62.3.3 车轮荷载在桥面板上的分布62.4 变形计算62.4.1 预应力引起的上拱度（反拱度）62.4.2 使用荷载下的挠度62.4.3 预应力混凝土受弯构件的总挠度62.4.4 预拱度设置72.4.5 挠度验算7第3章 ANSYS静力结构分析83.1 有限单元法83.1.1 有限元方法概论83.1.2 结构静力分析的有限单元法83.2 ANSYS分析问题的基本过程83.2.1 ANSYS图形用户界面83.2.2 前处理83.2.3 加载和求解83.2.4 后处理83.3 ANSYS的加强分析功能83.3.1 概率设计83.3.2 优化分析和变分技术8第4章 预应力混凝土连续梁桥分析94.1 问题描述94.1.1 前处理94.1.2 创建几何模型94.1.3 定义单元属性94.2 加载和求解94.2.1 加载94.2.2 求解94.3 后处理94.3.1 第一次求解94.3.2 第二次求解94.4 计算结果分析9第5章 结论与展望105.1 主要结论105.1.1 梁板模型分析105.1.2 有限元分析105.2 展望10参考文献11致 谢12附 录13一级标题、段前分页、段前24磅、段后12磅、三号、黑体、居中、二级标题、小三号、黑体、左对齐第1章 绪言小四号、宋体、首行缩进2字符、行距20磅等1.1 桥梁概述1.1.1 桥梁发展现状三级标题、小四号、宋体、左对齐、20世纪50年代后，随着材料工业的发展，科学理论和计算方法的创新，施工机械化、电子化、自动化的革新，桥梁的形式、跨度不断突破，桥梁建设获得了巨大发展。世界出现了大型的钢桥、混凝土桥等。1928年法国著名工程师弗莱西奈实现了预应力混凝土技术，从此新颖的预应力混凝土桥梁以异乎寻常的速度发展起来！预应力钢筋混凝土梁桥具有强度高、跨越能力大、节省钢材、耐久性高等诸多优点。随着材料性能的不断改进，设计理论的日趋完善和施工工艺的革新创造，这种新颖材料修建的桥梁获得了巨大的发展，在桥梁工程中占有日益重要的地位。目前世界上跨径最大的预应力混凝土梁桥跨径达440m。1.1.2 桥梁的组成和分类桥梁的形式多种多样，有梁桥、拱桥、悬索桥、组合体系桥等，但根据各部分的作用不同划分，主要有以下三大“部件”和一些附属设施组成（见图1-1-1）：五号、宋体、居中图1-1-1 桥梁的基本组成1). 桥跨结构：也称为桥梁的上部结构，起跨越障碍作用，并直接承受桥上交通荷载。2). 桥梁墩台：也称为桥梁的下部结构，起支撑桥跨结构的作用，是向基础传递上部荷载的建筑物。3). 墩台基础：承受交通荷载和桥梁结构体自重并将其传递给地基的结构物。4). 除了以上基本三部分外，还包括桥面构造（路面、排水、栏杆等）、支座和附属物（路堤、边坡、挡墙等）。1.1.3 桥梁设计荷载通常将作用在公路桥梁上的各种荷载和外力归纳成三类：永久荷载；可变荷载；偶然荷载。我国公路桥涵设计规范中，根据可能出现的荷载作用情况，规定了设计桥涵时应考虑的不同荷载组合。1. 永久荷载永久荷载是指在使用周期内，其作用位置和大小、方向不变，或其变化与平均相比可忽略不计的荷载。永久荷载包括结构物自重、桥面铺装及附属设备重量、作用于结构上的土重及土侧压力、基础位变影响力、水浮力、长期作用于结构上的人工预施力以及混凝土收缩和徐变的影响力。2. 可变荷载可变荷载指在设计使用期限内，其作用位置和大小、方向随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的荷载。按其对桥涵影响程度，又分为基本可变荷载（活载）和其他可变荷载。桥梁设计中的可变荷载有汽车、平板车和履带车的车辆荷载和人群荷载。同时对于汽车荷载应计其冲击力和离心力。规范中规定的其他可变荷载有：汽车制动力、支座摩阻力、温度影响力、风力流水压力和冰压力。我国对现有车型、行车规律进行大量实地观测和调查研究，根据汽车工业的发展和国防建设的需要，制定了设计公路桥涵或其他受车辆影响的构造物所用的荷载标准。标准中把大量、经常出现的汽车荷载排列成车队形式，作为设计荷载；把偶然、个别出现的平板车或履带车作为验算荷载。汽车车队分为汽车-10级、汽车-15级、汽车-20级、汽车-超20级四个等级。车队的纵向排列和横向布置如图1-1-2和图1-1-3所示。荷载级别的数字表示一辆主车的重量，以吨计。除了主车辆数不限外，每一列车队中规定有一两重车。验算荷载分为80、100和120t的平板挂车（简称挂车-80、挂车-100和挂车-120）以及50t的履带车（简称履带-50），其荷载图示及主要技术指标规定见图1-1-4。 汽车-10级3. 人群荷载设有人行道的车辆，在以汽车荷载计算内力时，应同时考虑人行道上人群荷载所产生的内力。一般公路桥梁的人群荷载规定为300kg/m2；城市郊区人口密集地区一般为350kg/m2，也可根据实际情况或参照当地城市桥梁设计规定予以确定。4. 偶然荷载偶然荷载包括地震力和船只或漂流物的撞击力。这种荷载在设计期限内不一定出现。但一旦出现，其持续时间较短而数值较大。5. 荷载组合根据各种荷载重要性的不同和同时作用的可能性，桥规规定了以下五种荷载组合，以供设计选择：组合I：基本可变荷载（平板车或履带车除外）的一种或几种与永久荷载的一种或几种相组合；组合II：基本可变荷载（平板车或履带车除外）的一种或几种与永久荷载的一种或几种与其他可变荷载的一种或几种相组合；组合III：平板车或履带车与结构自重、预应力、土重及土侧压力中的一种或几种相组合；组合IV：基本可变荷载（平板车或履带车除外）的一种或几种与永久荷载的一种或几种与偶然荷载中的船只或漂流物撞击力相组合组合V：结构自重、预应力、土重及土侧压力中的一种或几种与地震力相组合。1.2 ANSYS在桥梁结构分析中的应用1.2.1 ANSYS在计算机辅助工程中的地位ANSYS软件作为一个大型通用有限元分析软件，能够进行结构、热、流体、电磁、声学等学科的研究，广泛应用于土木工程、地质矿产、水利、铁道、汽车交通、国防军工、航天航空、船舶、机械制造、核工业、石油化工、轻工、电子、日用家电和生物医学等一般工业及科学研究。ANSYS软件是第一个通过ISO 9001质量认证的大型有限元分析设计软件，是美国工程师协会（ASME）、美国核安全局（NQA）及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。在世界范围内，AYSYS软件已经成为土木建筑行业CAE仿真分析软件的主流。ANSYS在中国的很多大型土木工程中都得到了应用，如上海金茂大厦、国家大剧院、上海科技馆太空城、金沙江溪罗渡电站、二滩电站、南水北调工程、三峡工程、黄河下游特大型公路斜拉桥等都利用ANSYS软件进行有限元仿真分析。此外，同济大学、清华大学、西南交通大学、武汉大学等学校应用ANSYS软件设计分析了各种桥梁（新型“大跨度双向拉索斜拉桥”和“大跨度双向拉索悬索桥” ）、模拟了各种工程的施工力学过程。利用ANSYS可有效的保证工程的设计和施工质量、缩短周期、降低工程成本、对于提高设计和施工能力、增强行业竞争力起到了很大的促进作用。从竞争和技术发展的角度看，采用计算机辅助工程分析技术是大势所趋。1.2.2 ANSYS桥梁结构工程应用随着社会经济和科学技术的发展，造桥技术不断进步，桥梁结构向轻巧、纤细方面发展。与此同时桥梁的载重、跨径和桥面跨度不断增长，结构形式不断变化，传统的平面杆系结构程序越来越不能满足设计要求，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正是这种综合性程序的代表。A-NSYS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等因素对桥梁的影响，同时也可以方便的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。桥梁结构是土木行业最常见的建筑工程结构之一，对桥梁进行较为精确的受力分析，合理模拟各种工况下的动态响应，对于桥梁的设计与安全控制有着十分重要的现实意义。1. ANSYS的全桥仿真分析能力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例如梁式桥、刚架桥等。全桥仿真分析可以通过对各种荷载工况的组合，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、地震响应特征和失稳特征等，尽量使桥梁既经济美观又安全可靠。利用ANSYS还可以对全桥进行动力分析和静力分析。2. ANSYS车桥风载耦合分析能力近年来，随着铁路列车速度不断提高，一方面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；另一方面，铁路桥梁在高速运行的列车的动态和在作用下，桥梁的动态响应问题也受到了格外的关注。此外，桥身自身的风载和由列车传给桥梁的侧向力使桥梁所受侧向李明显加大。利用ANSYS可以很好的模拟分析这些新问题和新现象。3. ANSYS桥梁施工过程的分析能力一些大跨素的桥梁如斜拉桥、悬索桥等在施工过程中，除了要考虑施工技术设备和现场环境条件等因素外，还必须考虑各施工阶段内，已完成的桥梁构件的施工内力、自重、外载所导致的变形等因素。而ANSYS由于具有独特的单元生/死（birth/death）及选择功能，所以模拟桥梁的各施工过程，如梁的拼装过程、桥塔的施工、主缆的架设、拉索的架设和所预应力的调节等。1.3 本论文主要研究内容随着社会经济会科学技术的发展，造桥技术不断进步，桥梁结构向轻巧、纤细方面发展。然而，桥梁的载重、跨径和桥面跨度不断增长，结构形式不断变化。对桥梁进行较为精确的受力分析，合理模拟各种工况下的动态响应，对于桥梁的设计与安全控制有着十分重要的现实意义。大型有限元分析软件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等因素对桥梁的影响，同时还可以方便的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。从竞争和技术发展的角度看，采用计算机辅助工程分析技术是大势所趋。本文利用ANSYS对汽车-超20满载作用下的预应力混凝土连续梁桥的梁板进行了整体稳定性分析，介绍了用ANSYS进行结构分析的一种方法。本文选取SOLID65和Link8作为混凝土和预应力钢筋单元建模，对梁板进行了有、无配置预应力钢筋两种情况下的模拟，得出了梁板的应力和挠度值及预应力筋受力情况，对其进行了稳定验算。然后又将两种情况下的作了比较，找出梁的薄弱点，提出了自己的看法，为结构的设计和优化提供了有力的依据。第 13 页 共 17 页第2章 预应力混凝土梁桥计算2.1 预应力混凝土构件概述2.1.1 预应力混凝土的分类2.1.2 张拉预应力的方法2.1.3 预应力混凝土结构的材料特性五号、宋体、居中2.2 梁桥预应力计算2.2.1 张拉控制应力结合荷载验算公式（2-11），可以得到下表数据，如表4-5-1所示。表2-1混凝土第一主应力荷载工况最大拉应力MPa最大压应力MPa允许拉（压）应力MPa1-5.769.41-2.4/21五号、宋体、居中、西文字体:times new roman2-2.67153-2.67152.2.2 预应力损失2.3 梁板截面应力计算2.3.1 基本假定2.3.2 梁板截面应力计算2.3.3 车轮荷载在桥面板上的分布2.4 变形计算2.4.1 预应力引起的上拱度（反拱度）2.4.2 使用荷载下的挠度2.4.3 预应力混凝土受弯构件的总挠度2.4.4 预拱度设置2.4.5 挠度验算第3章 ANSYS静力结构分析3.1 有限单元法3.1.1 有限元方法概论3.1.2 结构静力分析的有限单元法3.2 ANSYS分析问题的基本过程3.2.1 ANSYS图形用户界面3.2.2 前处理3.2.3 加载和求解3.2.4 后处理3.3 ANSYS的加强分析功能3.3.1 概率设计3.3.2 优化分析和变分技术第4章 预应力混凝土连续梁桥分析4.1 问题描述4.1.1 前处理4.1.2 创建几何模型4.1.3 定义单元属性4.2 加载和求解4.2.1 加载4.2.2 求解4.3 后处理4.3.1 第一次求解4.3.2 第二次求解4.4 计算结果分析第5章 结论与展望5.1 主要结论5.1.1 梁板模型分析5.1.2 有限元分析5.2 展望预应力混凝土结构在我国的应用与研究是一个较为复杂的课题，还有很多问题有待进一步研究和分析。本文采用有限单元法对预应力混凝土梁板的分析只是一个初步尝试，还有很多地方需要改进和探讨。在有限元模型建立过程中从建模简单的角度出发，没有考虑钢筋与混凝土之间的粘结滑移，而是通过钢筋单元与混凝土单元共用节点使两者刚性连接。这样结构的刚度变大，产生一定误差。可以在考虑钢筋单元与混凝土单元之间添加弹簧单元模拟两者的粘结滑移，这样可以更加真实地模拟预应力混凝土梁板，提高计算精度。模型中没有考虑梁板横隔梁的影响，在一定程度上降低了梁板的整体刚度。可