【《公铁两用大跨度斜拉桥有限元模型的建立分析案例》1700字】

公铁两用大跨度斜拉桥有限元模型的建立分析案例斜拉桥属于高次超静定结构，本文采用有限元软件MIDAS/CIVIL分别根据三种设计方案进行结构仿真分析，对结构特性进行有效分析的前提和关键是建立准确的有限元模型。模型是否能反应实际结构之间与结构内部的力学特性将直接影响分析的准确性，因此，选择能够反映实际结构力特性的正确单元类型和建模方法是建立结构模型的关键[84]。斜拉桥结构的模拟论文通过有限元分析软件MIDAS/CIVIL进行结构分析，采用的单元有：梁单元、板单元、索单元；以弹性连接、一般支撑、一般连接分别模拟支承连接装置、支座、阻尼器等。梁单元以Timoshenko的梁理论(垂直于中和轴的截面在变形后保持平面形状，但不一定要继续垂直于中和轴)为基础，分析时考虑剪切变形。模型中采用梁单元模拟桥塔、箱梁、主桁、边墩和辅助墩，并且对主桁桁架各部分构件进行模拟。板单元可用于工程中解决板沿厚度方向的平面拉伸、平面压缩、平面剪切和弯曲剪切等结构问题。两者均考虑了板单元局部横向剪应力的影响。在桁架主梁结构中采用薄板单元对桥面板进行模拟。索单元可以看作是能够变化弹性模量的桁架单元（只能传递拉力和压力墩的两节点单元），通过Ernst公式对斜拉索弹性模量进行折减。索单元可用于分析其刚度随拉力变化而变化的拉索结构的力。模型中将斜拉索通过刚臂连接至梁的轴线上，通过共节点的方式连接在桥塔上，以此来模拟斜拉索分别与桥塔和主梁的连接。模型中采用梁单元模拟主塔、桥墩和承台，采用索单元模拟斜拉索。考虑了斜拉索的垂度效应而采用等效弹性模量的方法对斜拉索进行模拟。通过给定截面面积和密度来施加主梁的一期恒载；主梁的二期恒载用线质量的形式加于梁单元上来实现。方案一和方案二中通过赋予梁单元相应的截面特性模拟主梁的变截面。单层箱梁结构整桥模型如图2-11所示。采用三根主梁的形式对方案二主梁模拟（中间铁路主梁两侧公路主梁），用变截面箱梁作为横梁将三根主梁进行连接，形成分离式箱梁梁体。错层箱梁结构整桥模型如图2-12所示。双层桁架整桥模型，桁架下层铁路桥面为弦杆、纵梁、横联和桥面板通过固结的形式进行模拟，上层公路桥面为平联、弦杆和桥面板结合，其中采用薄板单元对桥面板进行模拟。桁架箱梁结构整桥模型如图2-13所示。基于局部失稳模态中对弦杆分析考虑，与腹杆相连接的两个节点间的弦杆划分为四个单元。图2-11方案一整桥模型图2-12方案二整桥模型图2-13方案三整桥模型结构约束模拟在三种主梁设计中，主梁和边墩、辅助墩之间竖向连接以及塔梁间竖向与横向连接均采用弹性连接模拟，根据支座所给出的刚度值，模拟支座约束的弹性连接的刚度值为107kN/m。根据设计，多遇地震作用下主塔下的固定支座正常工作，在设计地震和罕遇地震作用下，两主塔与主梁之间的固定支座被剪坏，通过纵向的表2-5成桥状态结构各部位边界条件自由度△x△y△zθxθyθz承台底处KKKKKK边墩、辅助墩主梁交接0KK000主塔与主梁交接处CKK000注：△x、△y、△z分别表示沿纵桥向、横桥向、竖向的线位移，θx、θy、θz分别表示绕纵桥向、横桥向、竖向的转角位移，K—弹性约束，0—无约束，C—液体粘滞阻尼器。为了控制地震作用下梁端纵向位移和塔底内力响应，大桥在T1塔、T2塔处共设置了16个纵向液体粘滞阻尼器。MidasCivil中模拟液体粘滞阻尼器时，通常采用一般连接中的粘弹性消能器中的Maxwell模型[85]，模型如图2-14所示，Midas中粘弹性消能器在模型中模拟方式为在六个自由度上由线性弹簧和（非）线性阻尼器并联后与线性弹簧串联。通过输入不同的阻尼系数和速度参数对粘滞阻尼器进行模拟，阻尼器参数根据试算进行选择，方案一和方案二（箱型梁结构）阻尼系数C=5000kN，速度指数δ=0.4；方案三（桁架梁结构）阻尼系数C=4000kN，速度指数δ=0.4。图STYLEREF1\s214Maxwell模型简图论文中三种设计方案的模型中各单元数量和主要连接的数量各不相同，方案一模型，全桥共计节点1116个，单元1072个；方案二模型，全桥共计节点1183个，单元1165个；方案三模型，全桥共计节点4478个，单元9960个。各种单元数量和主要连接具体如表2-6所示