郭丁，方詩圣，莫安生，黃從俊

（1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥市市政設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230041；3.合肥市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230041）

基于Midas/Civil的異形變寬橋參數(shù)化建模探究

郭丁1，方詩圣1，莫安生2，黃從俊3

（1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥市市政設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230041；3.合肥市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230041）

隨著城市交通量的日益增加，城市立交的興起有效解決了城市道路擁堵的問題。城市立交梁橋一般采用變寬、分叉等異形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)往往依據(jù)道路線型進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對(duì)該種異形結(jié)構(gòu)，單梁計(jì)算模型已經(jīng)不能滿足計(jì)算精度的需要，為此采用梁格法進(jìn)行分析。文章基于 MIDAS/Civil在梁格法中對(duì)異形橋前處理部分的薄弱，提出城市立交異形混凝土梁橋參數(shù)化建模方法，利用C/C++編程語言編寫城市立交異形橋建模助手程序，將橋梁參數(shù)批量寫入程序，然后導(dǎo)入到MIDAS/Civil中進(jìn)行計(jì)算，能夠有效減少工作時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率。

異形橋；梁格法；MIDAS/Civil；前處理；C/C++

0 前 言

參數(shù)化建模，是將一組約定的參數(shù)與設(shè)計(jì)對(duì)象的特征幾何參數(shù)聯(lián)系起來，在進(jìn)行梁體構(gòu)造特征設(shè)計(jì)時(shí)，只需按照設(shè)計(jì)思想給出多組特征參數(shù)即可得到相應(yīng)的連續(xù)幾跨橋的各個(gè)方位的結(jié)構(gòu)圖。參數(shù)化建模是提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析全過程的有效途徑，將結(jié)構(gòu)的模型信息簡(jiǎn)化成有限的參數(shù)進(jìn)行建模，能夠大大減少前處理所花費(fèi)的時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率［1-2］。

目前針對(duì)異形橋梁，工程中采用的主要研究方法是有限元法，按其不同的離散形式可以分為空間梁?jiǎn)卧?、空間板單元法、實(shí)體單元發(fā)以及梁格法［3-4］。一般設(shè)計(jì)人員所采用的方法主要是空間梁?jiǎn)卧ê土焊穹?，在單箱多室箱梁?jì)算中，梁格法可以得到比單梁模型更精確的結(jié)果［5］。

目前在實(shí)際工程中針對(duì)異形橋的主要建模途徑是利用 CAD與 CAE之間的交換文件進(jìn)行模型的建立，如AUTOCAD的DXF文件，這種操作方法建模直觀、準(zhǔn)確性高，但是應(yīng)用起來操作不方便，當(dāng)下的計(jì)算軟件如橋梁博士、MIDAS/Civil等，在前處理方面對(duì)該種橋型在梁格法方面并沒有給予太多的支持，只能依靠交換文件方式進(jìn)行建模，這種建模方式需要進(jìn)行大量的重復(fù)勞動(dòng)，耗時(shí)長(zhǎng)、易出錯(cuò)，因此，亟需開發(fā)一個(gè)程序代替這種方式進(jìn)行參數(shù)化建模。

1 參數(shù)分類

針對(duì)該種異形橋梁結(jié)構(gòu)，選取其中相對(duì)較有特點(diǎn)和共性的梁橋進(jìn)行研究，提取具有代表性的參數(shù)，在平面線型中分為等寬、單側(cè)變寬、雙側(cè)變寬等橋型，豎向采用等高度箱梁，其中，等寬橋在分類上并不屬于異形橋，但是為了驗(yàn)證程序的準(zhǔn)確性及普適性，從等寬橋開始做起，然后逐步加大或減少箱梁寬度，變換成單側(cè)變寬及雙側(cè)變寬類型。本文將以變寬橋?yàn)槔?，分析參?shù)化建模的具體方法，并進(jìn)行參數(shù)分類。

如圖1所示，單側(cè)變寬的平面布置，其中一側(cè)腹板的在沿橋縱向上呈直線型，另外幾條腹板沿橋向呈曲線變化，根據(jù)實(shí)際情況，橋梁線型一般根據(jù)道路線型擬定，在這里一般采用直線+圓曲線的組合方式，其中，各個(gè)參數(shù)所表示的含義如圖1所示。

圖1 變寬示意圖

其中，各個(gè)參數(shù)的含義如下，箱梁寬度由B0過渡到Bn，橋梁總長(zhǎng)為L(zhǎng)，分跨長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1、Li、Ln，變寬點(diǎn)距離左側(cè)箱梁截面為L(zhǎng)0，以單箱三室為例，箱室寬度分別為b1、b2、b3，進(jìn)過變化后分別為d1、d2、d3，腹板寬度取值fb，懸臂長(zhǎng)度取值b0，以上為平面參數(shù)，但是僅僅依靠平面參數(shù)并不能完全確定整個(gè)橋梁的模型，因此還需要截面參數(shù)。

圖2所示，即為箱梁的截面參數(shù)。

在平面參數(shù)中已經(jīng)提到的以外，還有一些截面參數(shù)：

h1是懸臂端厚度，懸臂板程序默認(rèn)成直線變化，中間無折點(diǎn)，厚度從h1變化到h2，h2作為懸臂根部厚度。h3、h4分別為頂?shù)装搴穸?，箱室上倒角寬和高分別為a1和c1，箱室下倒角分別是a2和c2。

圖2 截面參數(shù)示意

2 基于MIDAS/CIVIL的程序設(shè)計(jì)

2.1 MIDAS/CIVIL簡(jiǎn)介

MIDAS/Civil是針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的大型有限元分析軟件，該軟件直觀、簡(jiǎn)潔，功能強(qiáng)大。MIDAS/Civil并沒有針對(duì)城市立交異形橋提供建模助手工具，目前在MIDAS/Civil中進(jìn)行異形橋的建模只能通過 AutoCAD所生成的 DXF文件，然后導(dǎo)入到MIDAS/Civil中，生成節(jié)點(diǎn)和單元，然后賦予截面、邊界等其他信息，這種方法需要借助AutoCAD，操作起來較麻煩，而且結(jié)構(gòu)需要改動(dòng)時(shí)，需要在AutoCAD中重新修改，用起來十分繁瑣。

2.2 MCT文件簡(jiǎn)介

MIDAS/Civil的數(shù)據(jù)文件“MIDAS/Civil Text”，簡(jiǎn)稱是“MCT”文件，MCT文件包含了模型的所有信息，包括節(jié)點(diǎn)、單元、邊界條件等所有結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，在MIDAS/Civil圖形用戶界面（GUI）中輸入的所有信息，在MCT中均有反映，在MCT文件中，各種信息以不同的形式存儲(chǔ)在文件中。

MIDAS/Civil并未提供參數(shù)化設(shè)計(jì)語言，只能通過另外的方法來實(shí)現(xiàn)MIDAS/Civil中的參數(shù)化建模。通過對(duì)MCT文件格式的研究，可以利用C/C++程序編制MCT文件生成軟件，并開發(fā)相應(yīng)的交互界面，通過輸入少量的參數(shù)，完成異形橋的參數(shù)化建模，并導(dǎo)入到MIDAS/Civil中，在完善相關(guān)信息之后，完成城市立交異形橋的建模。

2.3 城市立交異形橋建助手程序開發(fā)

C++是在 C語言基礎(chǔ)上開發(fā)的一種通用編程語言，它的優(yōu)點(diǎn)是支持多種編程范式—面向?qū)ο缶幊獭⒎盒途幊毯瓦^程化編程，而且C++語言靈活，運(yùn)算符的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)豐富、具有結(jié)構(gòu)化控制語句、程序執(zhí)行效率高。

首先建立程序框架，根據(jù)需要輸入的參數(shù)建立程序界面，主要可以分為基本參數(shù)、主體參數(shù)、橋跨分割參數(shù)及箱室參數(shù)幾大類。根據(jù)輸入的梁體參數(shù)信息，在程序中進(jìn)行MCT文件的生成，在程序開發(fā)過程中，主要是按照節(jié)點(diǎn)—單元—截面等信息依次進(jìn)行輸入，完成城市立交異形橋建模助手的開發(fā)。

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程總體信息

某城市立交主線變寬橋，橋跨信息為3×30m預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋，采用等高度箱梁，梁高 2.2m，單箱三室截面，橋面寬度從20.05m逐漸變化到16.25m，等寬段長(zhǎng)度為50m，曲線段腹板線型采用圓曲線。在程序中自動(dòng)劃分梁格，各個(gè)腹板對(duì)應(yīng)的縱梁分別定義為縱梁一、縱梁二、縱梁三、縱梁四。如圖3所示為橋梁腹板中心線走向圖。下面結(jié)合開發(fā)的城市立交異形橋建模助手，在 MIDAS/CIVIL中建立該橋梁計(jì)算模型。

圖3 橋梁布置示意圖

3.2 參數(shù)輸入

①梁體參數(shù)輸入，在MIDAS/Civil中，首先要建立節(jié)點(diǎn)和單元，分別輸入橋梁的三跨信息，頂板厚度為0.22m，頂板厚度由0.42m變化到0.22m，腹板厚度由0.65m變化到0.35m，在建模時(shí)做以下近似處理，頂?shù)装搴穸热?.22m，腹板寬度取0.35m。

②在程序界面中輸入各項(xiàng)參數(shù)，點(diǎn)擊“單側(cè)變窄橋輸入”按鈕，可以生成該橋的MCT文件，然后將此MCT文件導(dǎo)入到MIDAS/Civil中，完成梁體模型的創(chuàng)建。如圖4所示是模型參數(shù)輸入窗口，如圖5所示是導(dǎo)入到MIDAS/Civil中顯示的模型。

3.3 結(jié)果對(duì)比

梁體參數(shù)導(dǎo)入到MIDAS/Civil中，進(jìn)行計(jì)算分析，并與單梁模型進(jìn)行比較。首先進(jìn)行支座反力的比較，支座布置形式如圖3所示，在自重荷載作用下，各個(gè)支座及橫梁所承受的支座反力如圖6所示。

單梁模型和梁格模型的支座反力有較大差別，原因是在單梁模型只能模擬出一根曲線縱梁，無法準(zhǔn)確模擬曲線內(nèi)側(cè)和外側(cè)的支座受力，而梁格法則可以較精確的計(jì)算，由每個(gè)橫梁所承受的反力情況來看，程序所生成的模擬和原模型差別很小，說明梁格法能夠更好地模擬支座受力的實(shí)際情況。

圖7是單梁模型與梁格模型的跨中彎矩?cái)?shù)據(jù)對(duì)比。

圖4 參數(shù)輸入界面

圖5 MIDAS/CIVIL梁體模型（渲染后）

圖6 支反力計(jì)算數(shù)值柱狀圖（單位：kN）

圖7 跨中彎矩計(jì)算結(jié)果柱狀圖（單位：kN m）

由圖7，梁格總彎矩與單梁彎矩相差不大，在5%左右浮動(dòng)，由于單梁模型采用平截面假定，并不能完全反應(yīng)出各個(gè)腹板的受力狀態(tài)，梁格模型能夠輸入各個(gè)腹板的受力狀態(tài)，相比單梁模型具有更高的精度。

3.4 建模時(shí)間對(duì)比

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)該種橋型，采用手工建模的時(shí)間與采用該軟件所用的建模時(shí)間，在只進(jìn)行前處理部分的情況下的所需時(shí)間對(duì)比，由圖8可以看出，使用該前處理軟件大大縮短了建模所需的時(shí)間，具有一定的實(shí)踐意義。

圖8 建模時(shí)間對(duì)比柱狀圖

4 結(jié) 論

①采用該異形橋建模助手在MIDAS/Civil中建立有限元模型，能夠?qū)?fù)雜的建模簡(jiǎn)化為有限的參數(shù)，建模方式簡(jiǎn)單易操作。

②該異型橋建模助手具有較好的精度，能夠輸出各個(gè)腹板的受力狀態(tài)，在分析變寬形異形橋時(shí)可優(yōu)先采用。

③經(jīng)實(shí)踐，該異形橋建模助手能夠有效簡(jiǎn)化建模步驟，減少建模時(shí)間，據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)于該種異形結(jié)構(gòu)的建模時(shí)間能夠縮短50%以上，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)人員從復(fù)雜的模型中解放出來，大大提高了設(shè)計(jì)效率。

［1］原軍鋒，孫林夫.面向方案的箱型截面梁體結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模探討［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2000（20）：89-90.

［2］陳明，胡世德.基于知識(shí)的橋梁參數(shù)化建模［J］.工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2011（5）：1-9.

［3］陳鵬，季文玉.異形橋整體設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2006，27（1）：48-52.

［3］［日］伊藤學(xué).橋梁造型［M］.劉健新，丕莊，譯.北京：人民交通出版社，1998.

［4］［美］漢勃利E.C..橋梁上部結(jié)構(gòu)性能［M］.郭文輝，譯.北京：人民交通出版社，1982.

［5］劉明.梁格法在單箱多室曲線梁橋受力分析中的應(yīng)用［J］.湖南交通科技，2015（2）.

U442.5

A

1007-7359（2016）02-0103-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.036

2014年度安徽省建設(shè)行業(yè)科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目（軟科學(xué)及科研開發(fā)項(xiàng)目）（編號(hào)：2014YF-11）。

郭?。?989-），男，江蘇徐州人，合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院在讀碩士，研究方向：城市道路與橋梁。