盛超SHENG Chao；蔣夢雅JIANG Meng-ya；劉雪君LIU Xue-jun；黃勇HUANG Yong

（江蘇建筑職業(yè)技術學院，徐州221116）

0 引言

道路橋梁工程的建設，對國民經濟的發(fā)展發(fā)揮著重大作用。橋梁是道路的重要組成部分，橋梁建設中，無論是在橋梁設計還是在橋梁施工過程中，橋梁計算都發(fā)揮著關鍵作用。隨著有限單元法及計算機技術的發(fā)展，橋梁電算在橋梁計算中獲得的廣泛的應用，橋梁的仿真分析計算使橋梁計算更加的方便快捷。橋梁仿真分析計算，有專業(yè)計算軟件和通用軟件。ANSYS 是一款大型通用有限元分析軟件，已經成為機械、交通運輸、土木建筑等眾多領域設計分析和技術交流的平臺，該大型通用軟件主要由前置處理、解題程序以及后置處理等組成[1-5]。橋梁的跨越能力有很大部分被橋梁自重消耗，科學便捷的計算橋梁自重效應對橋梁建設有著重要意義。本文以某預應力混凝土連續(xù)剛構箱梁橋的自重效應二維仿真分析為例，闡明了剛構自重效應二維仿真分析建模技巧、數據提取及仿真分析中應注意的問題。

1 工程概況

某預應力混凝土連續(xù)剛構橋，設計荷載為公路-I 級，設計基準期為100年，設計安全等級為一級，環(huán)境類別為Ⅱ類；上部結構采用35m＋60m＋90m＋60m＋35m 變截面預應力混凝土箱梁，梁高由主跨的跨中及直線段的2.0m 至主跨墩頂的5.0m，按二次拋物線變化，下部結構的主墩為雙薄壁式墩，邊墩為板式橋墩，該橋總體布置如圖1 所示。

圖1 剛構橋總體布置圖（單位：cm）

2 有限元仿真分析

橋梁結構的有限元仿真分析，首先必須建立有限元模型，模型建立的準確程度，對仿真分析結果的可靠性發(fā)揮著關鍵作用。進行橋梁結構建模的時候，可以采用人機交互輸入的方法，這種方法適用于較為簡單的結構以及初學者，對于較為復雜的結構也可采用命令流輸入建立模型，也可以采用人機交互輸入以及命令流輸入兩種方式結合的方法建立模型。采用哪種方式，應根據結構的實際情況以及學習者或研究者的習慣而定，筆者認為，利用命令流的方式便于檢查，條理較為理順，所以本例采用命令流的方法建立模型。

ANSYS 提供了豐富的單元類型，可以根據分析的目的，選取不同的單元類型來模擬相應的結構構件，例如橋梁結構中的纜索、吊桿等構件，常用桿單元進行模擬，對于主塔、主梁等構件則可以采用兩單元或者殼單元進行模擬[5]，至于選擇那種單元，還要結合單元庫中該單元的特性綜合考慮來定。進行橋梁自重效應二維仿真分析，本研究選取的單元類型為plane2，該單元是2 維6 節(jié)點三角形實體結構單元，具有塑性、蠕變、輻射膨脹、應力剛度、大變形以及大應變的能力。需要說明的是ANSYS 經歷多年的發(fā)展，有些舊版本中的單元類型在新版本中不再顯示，但是仍然能用。

有限元模型建好之后需要進行有限元模型網格劃分，常用的兩種網格劃分方法是映射網格劃分和自由網格劃分，進行網格劃分后，施加約束的有限元模型如圖2 所示。

圖2 施加約束后的有限元模型

在橋梁各墩臺施加約束后，就可以進入求解器求解計算求得自重效應，求解結構自重效應可以通過兩種方式實現，一種方式是將結構自重看作荷載施加在結構上，如果結構是等截面的，可以根據結構截面積和材料容重算出每米長度的結構自重，然后作為荷載施加在結構上；另一種方法是建模的時候在前處理器中定義材料密度，對結構施加重力加速度，以此來求得結構自重效應。本研究的連續(xù)剛構橋上部結構是變截面梁，所以采用第二種方法可以使計算便捷。本研究求解后，可以利用后處理器求得結構重力作用下的變形圖，在重力作用下的變形如圖3 所示。

圖3 剛構橋自重作用下的變形

求解之后，在后處理器中，還可以求得各節(jié)點的豎向位移，可以用記事本的方式將各節(jié)點豎向位移輸出，本項目研究的剛構橋的中跨跨中豎向位移、次邊跨最大豎向位移、邊跨最大豎向位移提取整理后如表1 所示。

表1 剛構橋各跨最大豎向位移 單位：cm

將表1 自重作用效應引起的剛構橋各跨最大豎向位移值繪制成圖，如圖4 所示。

通過表1 和圖4 可知，在自重作用效應下，剛構橋最大豎向位移發(fā)生在中跨的跨中，次邊跨的最大豎向位移小于中跨的跨中豎向位移，邊跨最大豎向位移小于次邊跨最大豎向位移。

圖4 自重效應下剛構橋各跨節(jié)點最大豎向位移對比圖

通過后處理輸出次邊跨位移，可以求得次邊跨位移最大值發(fā)生在第30344 號節(jié)點，該節(jié)點不在該梁的次邊跨的跨中，而是位于距離梁端57.143m 處；邊跨最大唯一發(fā)生在第44974 號節(jié)點，該節(jié)點位于距離梁端16.66m 處，而不是位于邊跨的跨中；這是因為該橋是超靜定結構，對于簡支梁而言，最大彎矩和最大位移發(fā)生在各跨的跨中，而對于超靜定結構，由于支點負彎矩的存在，使得邊跨和次邊跨的最大豎向位移就不是發(fā)生在跨中，從這方面而言，也印證了該仿真分析的正確性。

3 結語

通過對剛構橋自重效應二維仿真分析可以得出以下結論：

①利用大型通用軟件ANSYS 可以進行剛構橋自重效應二位仿真分析計算，正確的建模和單元選取對仿真分析至關重要。

②剛構橋自重效應引起的橋梁豎向位移最大值發(fā)生在中跨的跨中，次邊跨豎向位移小于中跨的跨中豎向位移，邊跨豎向位移又小于次邊跨豎向位移。