胡良紅， 黃飛鴻， 劉 信

(1.中國(guó)華西工程設(shè)計(jì)建設(shè)有限公司安徽分公司，安徽，合肥 230032；2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽，合肥 230009；3.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，安徽，合肥 230088)

0 引 言

隨著科技的進(jìn)步，有限元分析軟件越來(lái)越多，而不同的學(xué)者和研究人員學(xué)習(xí)和使用的軟件也各不相同，然而對(duì)于同一問(wèn)題，可以采用多種有限元軟件進(jìn)行分析。例如分析橋梁受力特征，可以采用橋梁博士、MIDAS Civil、ANSYS等；分析結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，可以采用ANSYS、ABAQUS、OpenSees等；分析巖土結(jié)構(gòu)的受力特性，可以參與FLAC3D、MIDAS Gen等。為比較不同有限元軟件分析同一問(wèn)題之間的差異，本文以某座中承式鋼箱提籃拱橋?yàn)楸尘埃捎肁NSYS和MIDAS Civil分別建模，從模型輸入、靜力響應(yīng)和動(dòng)力特征參數(shù)三方面進(jìn)行比較分析。

1 有限元模型建立

1.1 工程概況

背景橋梁主橋采用跨度為120 m的中承式鋼箱提籃拱橋[1]，受力模式屬于拱梁組合體系結(jié)構(gòu)[2]，主橋拱圈為雙肋單箱單室變截面鋼箱拱，拱軸線在拱肋平面內(nèi)為二次拋物線，矢跨比為1∶3，矢高為40 m，如圖1所示。主拱肋豎向與水平面的夾角為75°，內(nèi)傾角為15°。兩拱肋之間用3道鋼箱橫撐連為一個(gè)整體。主拱肋分為鋼箱拱肋和實(shí)心矩形預(yù)應(yīng)力混凝土兩部分，尺寸由1.5 m×2.0 m漸變?yōu)?.5 m×4.5 m。橋梁主跨橋面系采用正交異性鋼橋面板[3]結(jié)構(gòu)形式。橋面板厚度為16 mm，橫橋向用高強(qiáng)螺栓與鋼縱梁進(jìn)行栓接。橋面板由4根I型小縱梁進(jìn)行支撐，小縱梁之間再設(shè)置U型加勁肋，橫梁采用工字型，縱橋向間距為3 m，吊桿與鋼梁的錨固結(jié)構(gòu)為全焊結(jié)構(gòu)。吊桿采用Φ15-15及Φ15-27鋼絞線。本橋共設(shè)14對(duì)吊桿，沿橋軸方向吊點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)中心距為6.0 m。主橋兩側(cè)的人行輔橋分為兩部分，第一部分采用開(kāi)口截面，與主橋相連。第二部分為鋼箱截面，立面采用1.7次拋物線，平面為圓弧線。主拱座采用承臺(tái)接群樁基礎(chǔ)。吊桿編號(hào)如圖2所示。

圖1 橋梁總體布置圖

圖2 吊桿編號(hào)

1.2 ANSYS有限元模型建立

車行橋和人行橋的拱肋、橫撐、挑梁均為帶有縱向加勁肋的鋼箱梁，其中拱肋為變截面鋼箱梁，截面構(gòu)造較為復(fù)雜，故選用軟件中支持自定義截面類型的Beam 188單元進(jìn)行模擬，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度，可用于彈塑性分析，支持自定義截面[4]?？v橫梁亦采用該單元類型，截面均為在CAD中繪制后導(dǎo)入ANSYS中。吊桿采用Link180單元，該單元支持大變形、大應(yīng)變，可輸入初應(yīng)力，且設(shè)置為僅受拉，非常適合模擬索結(jié)構(gòu)。全橋共離散梁?jiǎn)卧? 256個(gè)，桿單元28個(gè)，如圖3所示。

圖3 橋梁ANSYS有限元模型

橋梁的邊界條件按照設(shè)計(jì)圖紙要求進(jìn)行約束，承臺(tái)底部固結(jié)，拱肋與承臺(tái)連接及橋面板約束條件如圖4所示。

圖4 橋梁邊界條件布置圖

1.3 MIDAS Civil有限元模型建立

MIDAS Civil有限元模型中拱肋、橫撐、挑梁、橋面系縱梁及橫梁均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，均使用SPC[5]自定義截面功能導(dǎo)入；吊桿采用只受拉桁架單元進(jìn)行模擬。荷載取值及邊界條件設(shè)置與ANSYS模型中保持一致。全橋同樣共離散梁?jiǎn)卧? 256個(gè)，桿單元28個(gè)，如圖5所示。

圖5 橋梁MIDAS Civil有限元模型

2 比較分析

2.1 模型輸入條件對(duì)比

兩種模型中的截面均是由CAD導(dǎo)入，ANSYS中使用的是Beam 188單元的自定義截面功能，MIDAS Civil中使用的是SPC自定義截面功能，兩種方法的導(dǎo)入精度會(huì)有所不同。本文選取拱肋跨中位置截面、拱腳位置截面、縱梁截面、橫梁截面，將兩種模型計(jì)算的截面特性值與使用材料力學(xué)方法計(jì)算的截面特性值進(jìn)行對(duì)比[6]，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 截面特性值對(duì)比表

由表1可知，ANSYS與MIDAS Civil軟件計(jì)算出來(lái)的截面特性值與采用材料力學(xué)方法計(jì)算出來(lái)的截面特性值都非常接近，誤差均小于1%，因此，可以認(rèn)為在截面導(dǎo)入方面，兩種有限元軟件之間并無(wú)明顯差異。

2.2 靜力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

靜力計(jì)算通?？梢杂脕?lái)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，是工程計(jì)算中基礎(chǔ)的工作，本文靜力計(jì)算不做移動(dòng)荷載分析，成橋后將活載以車道荷載形式加到橋面系上，視為恒載處理，故該部分只計(jì)算恒載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的受力響應(yīng)。

本文計(jì)算了拱肋1/2、拱腳位置、縱梁1/2及橫梁1/2位置處應(yīng)力，因結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，僅列出左側(cè)計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表2。吊桿是中承式提籃拱橋的重要構(gòu)件，其安全與否決定了整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性能，故對(duì)吊桿內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算是非常有必要的，兩種軟件吊桿內(nèi)力的計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

表2 靜力計(jì)算結(jié)果表

圖6 吊桿內(nèi)力計(jì)算結(jié)果圖

由表2可知，ANSYS應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與MIDAS Civil計(jì)算結(jié)果基本一致；圖6顯示了兩種模型計(jì)算的吊桿內(nèi)力基本一致，跨中位置幾根長(zhǎng)吊桿僅相差7 kN；而兩側(cè)的短吊桿雖然差值最大達(dá)到49 kN，但也只相對(duì)差4.72%，仍在可接受范圍之內(nèi)，因此可認(rèn)為采用相同的荷載和邊界條件，兩種軟件的計(jì)算結(jié)果并無(wú)明顯差異。

2.3 動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果對(duì)比

橋梁的動(dòng)力特性是衡量結(jié)構(gòu)整體剛度及使用性能的重要指標(biāo)之一，結(jié)構(gòu)固有頻率和振型是最基本的動(dòng)力特性參數(shù)，模態(tài)分析[7]是一種典型的線性分析方法，是開(kāi)展其他動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)性工作[8]。使用ANSYS模態(tài)分析模塊與MIDAS Civil特征值分析功能，分別對(duì)背景橋梁進(jìn)行動(dòng)力特性計(jì)算，求解橋梁固有頻率及前三階振型，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 橋梁動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果表

由表3可知，兩種模型計(jì)算的橋梁結(jié)構(gòu)固有頻率及自振周期基本一致，振型特征是完全吻合的，說(shuō)明了兩種模型的整體剛度是基本一致的。前三階的振動(dòng)主要是拱肋的振動(dòng)，第一、二階均為拱肋在橫橋向的振動(dòng)，第三階則為拱肋在順橋向的振動(dòng)，周期衰減。

3 結(jié) 論

本章依托某中承式鋼箱提籃拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，使用有限元分析軟件ANSYS及MIDAS Civil分別建立了有限元模型，來(lái)探討不同有限元分析軟件分析同一工程實(shí)例之間的差異，分析可得以下結(jié)論：

(1) 模型輸入條件方面，在控制材料參數(shù)與設(shè)計(jì)要求保持一致的前提下，兩種有限元軟件計(jì)算的截面特性基本一致，且與力學(xué)理論計(jì)算值很接近。

(2) 靜力響應(yīng)方面，采用相同的荷載和邊界條件，兩種軟件的計(jì)算結(jié)果并無(wú)明顯差異。

(3) 動(dòng)力特性參數(shù)方面，兩種軟件計(jì)算的橋梁結(jié)構(gòu)固有頻率及自振周期基本一致，說(shuō)明了兩種模型的整體剛度基本一致。

說(shuō)明只要保持材料輸入、邊界約束、荷載取值等設(shè)計(jì)參數(shù)一致，且建模過(guò)程并無(wú)錯(cuò)誤，采用不同的有限元軟件分析同一工程問(wèn)題，其計(jì)算結(jié)果是基本一致的，但不同有限元軟件有不同的側(cè)重點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，應(yīng)根據(jù)工程需要靈活選用。