ANSYS参数化有限元技术在人行天桥结构分析中的应用

有限元法是分析复杂工程结构的一种非常有效的数值分析方法。通过叙述采用ANSYS进行钢结构人行天桥结构分析的步骤,介绍了使用ANSYS有限元软件进行人行天桥结构分析的方法。

基于ANSYS的钢箱梁空间有限元分析

以广州市云溪路转科韵北路跨线桥主桥钢箱梁为研究对象,应用ANSYS程序建立空间有限元模型(采用三维实体单元),对其在设计荷载作用下进行受力分析,该有限元分析结果为设计提供了计算依据,并为同类桥梁的设计提供了技术指导。

单箱双室变截面波形钢腹板组合梁剪应力分析

为了研究单箱双室变截面波形钢腹板组合箱梁(CBBCSW)的剪应力分布规律,分析了单箱双室变截面CBBCSW的顶底板与波形钢腹板(CSW)的承剪问题。基于微元体平衡和切应力互等定理推导了变截面CSW的剪应力计算公式,并与等截面CSW剪应力计算公式进行了对比。对各项剪应力的性质展开了研究,针对变截面CBBCSW的顶底板和参与承剪机理进行了分析,提出了底板承剪比例计算公式。以室内模型试验梁和一座单箱双室变截面CBBCSW为例,采用ANSYS有限元软件分别建立了试验梁与实桥的有限元模型,研究了不同约束体系下,剪应力在CSW上的分布以及顶底板与CSW参与承剪的规律。对比不同荷载情况下,有限元计算结果与理论公式计算结果的差异,分析不同荷载工况对顶底板与CSW参与承剪的影响。此外,分析了横隔板对单箱多室CBBCSW剪力分配的影响。研究结果表明:所提公式的理论结果与试验实测结果和有限元结果吻合较好,且底板参与承剪的比例不可忽视;变截面引起的“附加剪应力”是影响剪力传递的直接原因,弯矩的大小会直接影响底板参与承剪的比例;对称荷载下中腹板与边腹板的剪力分布几乎相同,而横隔板会改变CSW上剪力分配,靠近横隔板处的部位剪应力分布更均匀。研究结果可以为实际工程中变截面CSW的剪应力和承剪比的分析提供参考依据。

波形钢腹板组合板梁桥负弯矩区抗弯性能研究

针对波形钢腹板组合板梁桥,为研究负弯矩区关键设计参数和极限抗弯承载能力计算方法,以某三跨波形钢腹板组合板梁桥为背景,采用ABAQUS软件建立有限元模型,探讨波形钢腹板组合板梁桥负弯矩区的受力性能,基于参数敏感性分析明确了负弯矩区钢梁设计参数的合理取值范围,揭示了波形钢腹板组合板梁桥负弯矩区抗弯特性,提出适用于波形钢腹板组合板梁桥的负弯矩区抗弯计算方法。结果表明:支点波形钢腹板厚度由抗剪及屈曲强度控制,负弯矩区受压下翼缘板宽厚比不宜大于28,波形钢腹板抗弯贡献仅约5.7%,实际工程中负弯矩区抗弯承载力计算可忽略波形钢腹板影响。

基于异步悬臂浇筑的波形钢腹板组合梁桥腹板先行架设研究

达摩沟大桥主桥为主跨105 m的双幅波形钢腹板预应力混凝土组合梁桥,采用异步悬臂浇筑法施工。针对该桥波形钢腹板架设工作面多、人员调度紧张的问题,基于传统异步悬臂浇筑方案,提出在悬臂初期同时架设2个节段波形钢腹板的优化方案,并通过先行架设腹板的线形控制分析确定采用优化方案的可行节段范围。为验证优化方案的可行性与适应性,采用有限元软件Abaqus建立实体模型模拟其施工过程,对比分析异步悬臂浇筑施工优化前、后结构的受力与变形,并进行实桥应用。结果表明:优化方案下先行架设2个节段腹板的可行范围为2~6号节段,相邻节段腹板的预拱度最大调整值为6.4 mm,优化方案对各节段顶板与底板应力、相邻腹板剪应力及变形的影响均较小,且应力计算值均小于规范要求的强度设计值。施工中偏安全考虑仅在右幅1号墩2~4号节段采用优化方案施工,腹板高程均在可调节范围内,且腹板变形实测值与有限元值吻合良好,证明了优化方案的可行性及适用性。

波形钢腹板PC预制箱梁桥结构力学特性分析

为研究波形钢腹板PC预制箱梁桥结构力学特性,以一座波形钢腹板预应力混凝土预制箱梁桥为例,借助大型专用有限元软件,建立了结构数字孪生模型,进行波形钢腹板验算分析,开展了静动载试验,对主梁挠度、应变和动力性能的实测值与理论值进行对比验证。结果表明,装配式预应力混凝土波形钢腹板先简支后连续箱梁具有优良的受力性能,桥梁结构在静力荷载作用下工作良好,实测的振动时域曲线与连续梁桥的振动规律一致,具有合理的振动时域、频域曲线、阻尼比及冲击系数,说明该桥的理论刚度小于整体刚度,满足设计要求。此研究有助于剖析波形钢腹板PC预制箱梁桥的实际受力性能并进行承载能力评价,对于波形钢腹板PC预制箱梁桥的建造与应用具有工程参考价值。

某高速公路钢-混组合梁桥设计分析与研究

钢混组合梁结构是充分利用钢梁与混凝土的组合性能的优势,提升了桥梁结构安全、经济、美观等综合性能。以具体的钢混组合梁结构设计项目为例,桥面板为混凝土桥面,桥面板底设置2根槽型钢箱梁,通过剪力钉连接桥面板与槽型钢箱梁,横向是通过内横撑和箱间横梁连接,主要是从结构总体设计、结构的验算和施工工艺方法三个方面对钢-混凝土组合梁结构进行设计分析研究,结果表明该组合梁结构合理、安全可靠;进一步利用大型桥梁专用软件Midas/Civil建立钢-混凝土组合梁结构的有限元空间梁格模型并进行分析,理论计算结果表明,钢混组合梁桥力学性能满足规范设计要求;钢箱梁在制造加工、运输、吊装等过程中整体稳定性和刚度均满足要求。

单箱双室波形钢腹板-钢底板组合梁滑移效应研究

为了解剪切变形、剪力滞效应及滑移效应对单箱双室波形钢腹板-钢底板组合梁力学性能的影响,基于能量变分原理,推导该类组合梁的总挠度、界面滑移量及正应力解析解。以某等截面简支单箱双室波形钢腹板-正交异性钢底板组合梁为背景,通过理论分析、模型试验和有限元计算相结合的方法,分析考虑滑移效应的组合梁关键截面总挠度、界面滑移量及混凝土顶板横向正应力。结果表明:在集中荷载作用下,组合梁的总挠度、界面滑移量和横向正应力的解析解与实测值及有限元解吻合良好;由于附加弯矩的存在,剪切变形及界面滑移效应对组合梁总挠度的影响均不能忽略;组合梁的总挠度和界面滑移量随剪力钉抗剪刚度的增大不断减小,但减小的趋势逐渐放缓。施工设计时,可将剪力钉的抗剪刚度控制在挠度变化趋于平缓的范围内。

波形钢腹板-钢底板组合箱梁抗火性能研究

为研究波形钢腹板-钢底板组合箱梁的抗火性能,以某简支波形钢腹板-钢底板组合箱梁为研究对象,采用ANSYS软件建立组合梁的热-力耦合有限元模型,分析组合梁的温度分布、挠度变化、抗弯承载力衰退规律,并进行参数敏感性分析。结果表明:火灾作用下波形钢腹板-钢底板组合箱梁截面沿高度方向产生较大的温度梯度;组合梁挠度在火灾暴露初期、中期和后期三阶段分别呈现缓慢增长、快速增长和极速增长的特征;组合梁抗弯承载力衰退速率随受火时间的增加呈现先增大后减小的趋势;组合梁耐火时间随着荷载比的增大而减小,改变钢腹板型号和腹板加劲肋数量对组合梁耐火时间影响较小,增设底板加劲肋可有效延缓组合梁的挠度发展进入火灾暴露后期,从而增加其耐火时间。

狮子洋通道钢-混组合梁桥结构选型研究

狮子洋通道全长约35 km,为高速公路+城市道路双层复合过江通道,过江段采用双层桥梁方案(上层为高速公路,下层为市政道路),多处主线桥设计采用50~80 m跨径桥梁,主梁采用钢-混组合梁结构。通过对简支和连续体系进行比选,该项目采用结构简支、桥面连续的结构体系,并配合暗帽梁的设计方案;通过对工字形钢板组合梁、整体式钢箱组合梁、波形钢腹板组合梁、钢桁腹组合梁、分体式小钢箱组合梁进行比选,选择分体式小钢箱作为该项目钢-混组合梁的钢主梁形式;通过对结构受力性能、经济性、施工便利性、运输便利性和对变宽路段的适应性等综合分析比选,钢主梁采用4片主梁方案,该方案有利于设计、制造及施工标准化,结构受力更合理、造价更经济。从施工场地、设备、工期和安全性等方面分析,该项目施工采用标准化加工钢结构、工厂化预制混凝土桥面板,在桥位上通过湿接缝和集束式剪力钉形成组合结构的方案。

波形钢腹板工字钢-混凝土结合板梁桥设计参数分析

为明确波形钢腹板工字钢-混凝土结合板梁桥关键设计参数的合理取值范围,以3×30 m波形钢腹板结合梁桥通用图为研究对象,建立波形钢腹板工字钢-混凝土结合板梁有限元模型进行参数敏感性分析。研究翼缘板宽厚比、波形钢腹板高厚比、横隔板间距及钢梁高跨比等对结构受力性能的影响,并给出关键设计参数合理取值建议。结果表明:波形钢腹板工字钢梁跨中处受压上翼缘板宽厚比小于23、支点处下翼缘板宽厚比小于19时可满足结构稳定性要求;跨中处波形钢腹板高厚比不宜大于265,支点处腹板厚度由抗剪需求控制;波形钢腹板横向刚度大于平钢板,横隔板间距可放宽至支点处翼缘板宽度的35倍;波形钢腹板工字钢结合板梁桥的钢梁高跨比可取1/28~1/18,经济合理高跨比约为1/25。

斜拉索断裂影响下钢锚箱式索梁锚固结构应力计算及参数分析

为研究大跨度斜拉桥斜拉索断裂对内置钢锚箱式索梁锚固结构局部受力特性的影响,对斜拉索断裂情况下索梁锚固结构应力进行计算并展开参数分析。以某大跨度双塔双索面钢-混组合梁斜拉桥为背景,采用MIDAS Civil及Abaqus软件分别建立全桥有限元模型及钢锚箱局部有限元模型,研究了运营及断索工况下钢锚箱局部构件的受力,并对运营工况下钢锚箱各板件厚度进行了参数优化分析。结果表明:钢锚箱应力较大位置集中在各板件焊接处;中索断裂工况对钢锚箱的应力影响较大,断索位置附近的锚固区应力增幅最大达21.36%;对于钢-混组合梁斜拉桥,箱梁顶板厚度的变化对内置式钢锚箱各板件受力的影响很小,改变承压板与预埋套筒厚度对钢锚箱整体结构受力的优化效果明显。

预弯波形钢腹板钢箱-混凝土组合轨道梁设计及截面参数分析

针对跨座式单轨交通系统中钢箱-混凝土(钢-混)组合轨道梁自重大、体外预应力施加困难等问题,提出梁宽为1250 mm的预弯波形钢腹板钢-混组合轨道梁。基于数值模拟方法,初步设计了轨道梁数值模型,对轨道梁进行承载力计算和自振特性分析,验证结构设计的合理性。在结构布置合理的基础上,通过对轨道梁内置钢箱截面参数进行分析,总结轨道梁承载力变化规律,并与初始截面对比获得轨道梁最优截面形式。结果表明:轨道梁结构设计合理,截面参数满足结构强度、刚度要求;轨道梁动力特性满足结构设计要求,在加入横撑与平联结构后可运用于实际工程。由于钢板厚度对轨道梁局部应力具有一定影响,因此提出适用于组合轨道梁的优化设计方案,与初始设计方案相比,用钢量减少了25.3%(约为3.26 t)。

日照影响下波形钢腹板箱梁温度分布数值分析

在波形钢腹板箱梁桥中,温度场的变化对桥梁结构的影响不容小觑。在此基础上,对波形钢腹板梁桥进行了151d的温度场测试。本项目以实体桥为研究对象,通过构建2D波形钢腹板温度场有限元模型,选择典型气象因素进行数值仿真,并与实测数据进行比较,验证该方法的正确性。最终结果表明,上、下两个点的温度测量结果存在着一定的滞后,其变化范围和温度的变化范围都很小。

变截面波形钢腹板PC组合连续箱梁横向受力性能研究

为研究变截面波形钢腹板PC组合连续箱梁的横向内力分布规律及有效分布宽度,以某连续梁桥为背景,设计、制作一片三跨变截面波形钢腹板PC组合连续箱梁的缩尺模型,通过试验与有限元模拟相结合的方法进行试验梁横向内力研究。按分级加载方式分别在试验梁中跨跨中与边跨跨中进行单点与双点加载,并采用Abaqus软件建立试验梁有限元模型,分析各工况下跨中截面的横向内力,以及中支点、横隔板对横向内力分布的影响;最后推导有效分布宽度计算公式,并与现行桥规值对比。结果表明:沿中线单点加载时,试验梁的横向应力由中腹板位置的顶板向两侧逐渐递减,偏载时两侧边腹板的横向应力差值较大,偏载工况下畸变与横向翘曲现象较明显,可采用增大腹板线刚度或增加横隔板厚度等措施进行改善;中支点对横向应力的分布具有较大的影响,工程应用应考虑中支点的影响;设置横隔板对抵抗跨中横向负弯矩具有较好的效果,横隔板处顶板横向应力明显减小;与有效分布宽度试验值相比,按桥规计算得到的有效分布宽度值较为保守,建议对现行桥规值进行适当修正。

钢桁腹-混凝土组合箱梁畸变效应研究

为研究梯形截面的钢桁腹-混凝土组合箱梁的畸变效应,在薄壁箱梁理论的基础上,考虑钢桁腹杆的力学特性,应用改进的板元分析法建立畸变控制微分方程,并给出畸变解析解。通过ANSYS建立实体模型验证所推公式的正确性。结合数值算例,对比分析在均布畸变荷载作用下相同截面参数的钢桁腹-混凝土组合箱梁和传统混凝土箱梁的畸变翘曲正应力,并分析梁宽和钢腹杆俯角对组合箱梁畸变内力的影响。结果表明,相同截面参数下,由于组合箱梁钢桁腹杆的纵向刚度很小,其畸变翘曲正应力为混凝土箱梁的1.71倍;梁宽对畸变内力影响较大,当梁宽增加至4.5 m时,畸变双力矩和畸变矩分别增大至3.68倍和1.36倍,且前者在纵向上双峰的分布趋势逐渐平缓;腹杆俯角对畸变双力矩影响较大,当腹杆俯角增加至27°时,畸变双力矩减小了约14.3%,但其对畸变矩影响很小。

宽幅分离式双边钢箱组合梁斜拉桥剪力滞效应研究

为了满足日益增长的交通量需求,近年来大跨度斜拉桥开始采用桥面宽度大、横向刚度高和抗风性能好的分离式双边钢箱组合梁。以梁宽为45.9 m的超宽分离式双边钢箱组合梁斜拉桥为背景工程,分别采用MIDAS和ANSYS建立三维杆系模型和节段精细化模型,研究其成桥阶段和施工过程中的剪力滞效应,并通过敏感性分析研究钢主梁板厚度对剪力滞效应的影响。结果表明:成桥状态下,混凝土板底和板顶的剪力滞系数变化范围分别为2.152~2.762和1.262~2.024,越靠近跨中节段,混凝土板的剪力滞系数越大。在边腹板、中腹板和小纵梁位置,混凝土板的正剪力滞效应显著,横隔梁顶的混凝土板则主要呈现负剪力滞效应。受到斜拉索水平分力的影响,混凝土板两端的剪力滞效应最突出。施工过程中混凝土板底和板顶的剪力滞系数范围分别为3.978~4.188和1.186~1.301,需要重点关注板底的剪力滞效应。施工步骤对组合梁混凝土板的剪力滞效应影响较大,尤其是钢主梁安装工况。钢主梁板厚变化时,剪力滞系数变化规律相似,建议钢主梁顶板厚度为20~30 mm,底板厚度为15~20 mm。

大跨径超长曲线钢箱组合梁顶推施工控制研究

为高效完成钢箱组合梁安装,分别对左、右两幅钢箱梁采用步履式千斤顶多点协作顶推施工。钢箱梁在加工厂分节段加工制作,在桥台后的路基上合理布置胎架位置,通过在胎架上拼装钢箱组合梁达到纵平曲线设计值,以确保钢箱组合梁成型后的线形要求;利用胎架和左、右两幅墩顶盖梁上的联体支架满足顶推过程中超长曲线钢箱组合梁大范围横移量,减少顶推过程中的横向移动次数,加快施工进度;采用步履式千斤顶多点协同长距离顶推,可缩短上部结构施工时间,减少场地占用,提高施工效率;利用有限元软件MIDAS/civil建模,计算顶推施工过程中钢箱组合梁的受力状态,以确保顶推施工安全。

多主梁钢箱-叠合板组合梁桥成桥试验及构造参数研究

为了解多主梁钢箱-叠合板组合梁桥的受力特性及其影响参数,以某60 m跨多主梁钢箱-叠合板简支组合梁桥右幅桥为背景,开展成桥试验及有限元分析。对该桥分别进行静载试验、环境振动试验、无障碍行车试验,结合有限元计算结果,分析主梁应变、挠度、模态及冲击系数等,并研究钢箱梁高度、混凝土板厚、横向联系梁高度对结构横向受力的影响。结果表明:多主梁钢箱-叠合板组合梁桥在设计荷载下结构均处于弹性状态,钢箱梁与叠合板可以实现协同工作,整体性能良好;钢箱梁高度越小、横向联系梁高度越大,结构整体性能越好,混凝土板厚对结构横向受力的影响较小。

基于有限梁段法的波形钢腹板组合箱梁桥剪力滞效应分析

为简化并准确分析波形钢腹板组合箱梁剪力滞效应,基于波形钢腹板组合箱梁能量变分法微分方程,考虑波形钢腹板剪切变形及体外预应力作用,采用有限梁段法推导得到梁段单元的系数矩阵和广义外荷载向量计算公式,求解波形钢腹板组合箱梁任意点的弯曲应力。以某等截面波形钢腹板组合简支试验梁为算例,将跨中截面正应力有限梁段法计算值与试验值、变分法及有限元法计算值进行对比,该方法跨中正应力分布与其它方法结果均吻合较好,顶板有限梁段法正应力峰值与有限元计算值相差仅1.6%,验证了该方法准确度较高。采用该方法分析伊朗德黑兰BR-06L/R特大桥波形钢腹板组合连续箱梁桥在悬臂施工及成桥阶段的剪力滞效应,结果表明:悬臂施工阶段,随着悬臂长度增加固定端剪力滞效应逐渐减弱;成桥阶段,中支点和集中荷载加载点处剪力滞效应非常显著,均布荷载作用下边跨正弯矩区剪力滞系数较大,中支点处的峰值为1.13。