基于ANSYS-的连续刚构桥分析(操作篇-)

目目 录录 一 工程背景一 工程背景 1 二 工程模型二 工程模型 1 三 三 ANSYSANSYS 分析分析 2 一 前处理 2 1 定义单元类型 2 2 定义材料属性 3 3 建立工程简化模型 3 4 有限元网格划分 5 二 模态分析 5 1 选择求解类型 5 2 建立边界条件 6 3 输出设置 6 4 求解 6 5 读取结果 6 6 结果分析 8 三 结构试验载荷分析 8 1 第二跨跨中模拟车载分析 8 2 边跨跨中模拟车载分析 9 四 结果分析与强度校核四 结果分析与强度校核 10 一 结果分析 10 二 简单强度校核 10 参考文献参考文献 11 第 1 页 共 11 页 连续刚构桥分析连续刚构桥分析 1 1 工程背景 工程背景 随着我国经济的发展 对交通运输的要求也不断提高 高速路 高铁线等 遍布全国 这就免不了要架桥修路 截至 2014 年年底 我国公路桥梁总数已 达 75 71 万座 4257 89 万延米 i 进百万的桥梁屹立在我国交通线上 其安全 便是头等大事 随着交通运输线的再扩大 连续刚构桥跨越能力大 施工难度 小 行车舒顺 养护简便 造价较低等优点将被广泛应用 2 2 工程模型 工程模型 现有某预应力混凝土连续刚构桥 桥梁全长为 184m 宽 13m 其中车行道 宽 11 5m 两侧防撞栏杆各 0 75m 主梁采用 C50 混凝土 桥梁设计载荷为公路 级 图图 2 12 1 桥梁侧立面图桥梁侧立面图 上部结构为 48m 88m 48m 三跨预应力混凝土边界面连续箱梁 箱梁为单箱 双室箱形截面 箱梁根部高 5m 中跨梁高 2 2m 边跨梁端高 2 2m 箱梁顶板 宽 12 7m 底板宽 8 7m 翼缘板悬臂长 2 0m 箱梁高度从距墩中心 3 0m 处到跨 中合龙段处按二次抛物线变化 0 号至 3 号块长 3m 4x3m 4 5 号块长 第 2 页 共 11 页 3 5m 2x3 5m 6 号块到合龙段长 4m 6x4m 合龙段长 2m 边跨端部设 1 5m 横隔板 墩顶 0 号块设两道厚 1 2m 横隔板 0 号块范围内箱梁底板厚度为 0 90m 1 号块范围内底板厚度由 0 90m 线性变化到 0 557m 2 号块到合龙段范 围内底板厚度由 0 557m 线性变化到 0 3m 全桥顶板厚度为 0 3m 0 到 5 号块 范围内腹板厚度为 0 6m 6 至 7 号块范围内腹板厚度由 0 60m 线性变化到 0 40m 8 号块到合龙段范围内夫板厚度为 0 4m 下部结构桥采用 C50 混凝土双薄壁墩 横向宽 8 7m 厚 1 2m 高 25m 双 壁间设系梁 下设 10mX10m 矩形承台 厚 3 0m ii 图图 2 22 2 主梁纵抛面图主梁纵抛面图 图图 2 32 3 箱梁截面图箱梁截面图 3 3 ANSYSANSYS 分析 分析 一 前处理 一 前处理 1 定义单元类型 Main Menu Preprocessor Element Type Add Edit Delete 选择 Solid45 单元 第 3 页 共 11 页 2 定义材料属性 Main Menu Material Props Material Models 依次选择 Structural Linear Elastic Isotropic 建立材料模型 C50 混凝土的 EX 3 45e10 PRXY 0 2 再打开 Structural Density 设置 C50 混凝土的密度 Density 2600 iii 3 建立工程简化模型 建立 0 号块 Main Menu Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS 在对话框中输入 0 号块半截面的关键点坐标 1 0 0 0 2 0 0 12 7 2 3 0 0 3 12 7 2 4 0 0 3 12 7 2 2 5 0 0 3 12 7 2 2 0 6 6 0 0 3 0 3 7 0 5 0 8 0 5 4 35 9 0 5 0 9 0 3 10 0 5 0 9 4 35 0 6 Main Menu Preprocessor Modeling Create Lines Lines Straight Line 顺次连接关键点 1 2 3 4 7 8 1 6 7 9 10 6 Main Menu Preprocessor Modeling Create Lines Line Fillet 分别选中箱梁内部四个四个直角需要倒角的直线以 0 3 的半径倒圆角 并在翼 缘板根部以 0 1 的半径倒圆角 再连接翼缘边线下点与鱼倒圆角的下点 使翼 缘板呈一定倾角 再次在翼缘板根部以 0 2 的半径倒圆角 Main Menu Preprocessor Modeling Create Areas Arbitrary By Lines 分 别拾取箱梁截面的内外轮廓线建立两个平面 Main Menu Preprocessor Modeling Operate Booleans Subtract Areas 先拾取面积大的平面 Ok 后拾取另一平面最后确定 到此建立了 0 号块半截面 第 4 页 共 11 页 打开工作平面并激活工作平面 打开工作平面助手 Offset WP 将工作平 面移动到 x 3 处 重复上述建模过程 建立 0 号块另一截面 Main Menu Preprocessor Modeling Create Lines Lines Straight Line 依次连接对应节点 Main Menu Preprocessor Modeling Create Areas Arbitrary By Lines 依 次建立 0 号块各个面 Main Menu Preprocessor Modeling Create volunmes Arbitrary By Areas 点击 Pick All 建立 0 号块 建立主梁底面 用工作平面助手将工作平面移动到 11 号块便截底线中心 x 33 3 1 y 2 2 z 0 Main Menu Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS 在对话框中输入主梁中心底线关键点坐标 x x 4 5 4 2 3 5 3 3 y 5 2 2 x x 4 4 z 0 Main Menu Preprocessor Modeling Create Lines Splines Splines thru KPs 依次连接各点 Main Menu Preprocessor Modeling Copy Lines 复制主梁底面中心 线到边线位置 z 4 35 Main Menu Preprocessor Modeling Create Lines Lines Straight Line 连接 11 号块截面底线 第 5 页 共 11 页 Main Menu Preprocessor Modeling Create Areas Arbitrary By Lines 建 立主梁底面 建立 1 号块 将工作平面移动到整体坐标系 再移动到 1 号块另一截面 x 6 将工作 平面绕 Y 轴旋转 90 度 Main Menu Preprocessor Modeling Operate Booleans Divide Area by WrkPlane 拾取主梁底面 分离出 1 号块底面 Utility Menu Select Entities 用 By Location Z coordinates min 0 max 3 选出 1 号块范围内的点 线 面 仿照建立 0 号块的过程建立 1 号块 仿照建立 1 号块的过程建立其余箱梁块 建立桥墩 将工作平面移动到 0 号块底面中心角点 方向与整体坐标系一致 在 0 号 块底面建立 1 2x4 35 的矩形面 Main Menu Preprocessor Modeling Operate Extrude Areas By XYZ Offset 将所建立的矩形向 Y 轴负方向拉伸 25m y 25 将工作平面移动到桥墩右边面边线中点 Main Menu Preprocessor Modeling Volumes Block By Dimensions 建立一 个 2 8x2x4 35m 3 的矩形块系梁 将工作平面移动到桥墩底面角点 建立 5x5x3m 3 的矩形块承台 在需要倒角处建立倒角平面 并由面围成体 建立 1 4 桥模型 第 6 页 共 11 页 将工作平面移动到整体坐标系上 以 X 平面镜像所有体生成中跨 将中跨 11 号块截面拉伸 1m 将边跨 11 号截面拉伸 2 0 96 0 54 1 44m 图图 3 13 1 1 41 4 桥梁三维模型图桥梁三维模型图 图图 3 23 2 全桥三维立体图全桥三维立体图 4 有限元网格划分 Main Menu Preporcessor Meshing Mesh Tool 在 Size Control 中 的 Global Set 总体单元尺寸定为 0 5 在 Mesh 中选择 Volunmes Shape 设置 为 Hex Sweep Auto Src Trg 对主梁 1 号块到合龙段进行网格划分 对分割 后的墩柱进行映射网格划分 对剩下的 0 号块和桥墩承台 系梁等用自由网格 划分 第 7 页 共 11 页 图图 3 33 3 1 41 4 桥网格三维立体图桥网格三维立体图 2 2 模态分析模态分析 1 选择求解类型 Main Menu Solution Analysis Type New Analysis 选择 Modal 单击 OK 按钮退出 然后执行 Main Menu Solution Analysis Type Analysis Options 打开模态分析选项设置对话框 选择 Subspace 字空间法 设置 扩展模态数为 10 其它保持默认设置 2 建立边界条件 将工作平面移动到整体坐标系 选出对称截面 z 0 Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Displacement Aymmmetry B C On Areas 单击 Pick All 将工作平面移动到桥墩承台底面 选择出承台底面 执行 Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Displacement On 第 8 页 共 11 页 Areas 约束底面所有自由度 将工作平面移动到边跨底面 选出底面 0 到 1 5m 内的所有节点 执行 Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Nodes 约束节点 UY 3 输出设置 执行 Main Menu Solution Load Step Opts Output Ctrrls DB Results File 设置输出所有结果 执行 Main Menu Solution Load Step Opts ExpansionPass Single Expand 确认扩展模态数 4 求解 保存设置 执行 Main Menu Solution Solve Current LS 求解 5 读取结果 执行 Main Menu General Postproc Read Results By Pick 读取各阶 桥梁振型 执行 Main Menu General Postproc Plot Results Cotour Plot Nodal Solu 读取 Nolal DOF Solution Diaplacement vector sum 察 看各阶振型 第 9 页 共 11 页 图图 3 43 4 桥梁前桥梁前 1010 阶频率阶频率 图图 3 53 5 全桥一阶振型全桥一阶振型 图图 3 63 6 半桥第二阶振型半桥第二阶振型 图图 3 73 7 全桥第四阶振型全桥第四阶振型 图图 3 83 8 全桥第七阶振型全桥第七阶振型 图图 3 93 9 半桥第八阶振型半桥第八阶振型 图图 3 103 10 全桥第九阶振型全桥第九阶振型 图图 3 113 11 全桥第十阶振型全桥第十阶振型 6 结果分析 有 ansys 模态分析结果显示 全桥前几阶固有频率都比较小 振型呈一定 规律 奇数阶振动主要发生在桥梁横向 位移较大点主要集中在桥墩中点截面 第 10 页 共 11 页 系梁处 偶数阶振动主要发生在主梁 位移最大主要集中在边跨 中跨合 龙段 这些地方距离桥墩约束较远 为了减轻自重 箱梁厚度也较小 所以位 移较大也不难理解 另外 模态分析结果显示 桥梁的前十阶振型最大位移量 均不超过 2mm 桥梁结构相对稳定 3 3 结构试验载荷分析结构试验载荷分析 桥梁静载试验荷载采用汽车加载 本试验加载用车为大型载重汽车 其中 单辆车总重为 480kN 前轴重 80kN 后轴重 160kN 前中轴距为 3 5m 中后轴 距为 1 3m iv 1 第二跨跨中模拟车载分析 选择求解类型为静态分析 建立与模态分析相同的边界条件 然后 选择 出中跨 11 号块和合龙段 执行 Main Menu Solution Define Loads Apply Force Moment On Nodes 模拟双车道车距 5m 大型载重汽车 荷载 其中单辆车总重为 480kN 前轴重 80kN 后轴重 160kN 前中轴距为 3 5m 中后轴距为 1 3m 该模型为半桥对称模型 双车道 如图 3 11 图图 3 123 12 半桥中跨车载半桥中跨车载 保存设置 执行 Main Menu Solution Solve Current LS 求解 读取 结果 查看车载下位移 应力图 第 11 页 共 11 页 图图 3 133 13 全桥中跨模拟车载变形图全桥中跨模拟车载变形图 图图 3 143 14 全桥中跨模拟车载应变图全桥中跨模拟车载应变图 图图 3 153 15 全桥中跨模拟车载应力图全桥中跨模拟车载应力图 2 边跨跨中模拟车载分析 选择求解类型为静态分析 建立与模态分析相同的边界条件 然后执行 执行 Main Menu Solution Define Loads Apply Force Moment On Nodes 模拟双车道车距 5m 大型载重汽车荷载 其中单辆车总重为 480kN 前轴 重 80kN 后轴重 160kN 前中轴距为 3 5m 中后轴距为 1 3m 该模型为半桥对 称模型 双车道 每条车道模拟两辆大型载重汽车 且反向 使中跨受力最大 第 12 页 共 11 页 保存设置 执行 Main Menu Solution Solve Current LS 求解 读取结果 查看车载下位移 应力图 图图 3 163 16 全桥边跨中跨模拟车载图全桥边跨中跨模拟车载图 图图 3 173 17 全桥边跨跨中模拟车载应力图全桥边跨跨中模拟车载应力图 图图 3 183 18