ANSYS求解连续刚构桥温度效应技巧

1、2010年 第8期(总第198期)黑龙江交通科技HEILONGJIANGJIAOTONGKEJINo.8,2010(SumNo.198)ANSYS求解连续刚构桥温度效应技巧盛 超,杜 娟(宿迁学院建筑工程系)摘 要:通过大型应用软件ANSYS计算了某连续刚构箱梁桥的温度应力及温度变形,从结构建模、加载、求解到后处理,说明了ANSYS在连续刚构箱梁桥温度效应计算中的技巧。关键词:ANSYS;温度效应;温度应力;温度变形中图分类号:U442 文献标识码:C 文章编号:1008-3383(2010)08-0147-020 引 言受自然环境变化影响的连续刚构箱梁桥,在外界温度变化作用下,其表面温度迅速

2、上升或下降,但内部大部分区域仍处于原来的温度状态,从而在箱梁中形成较大的温度梯度,进而引起温度变形,这种温差作用下产生的变形,受到箱身截面的纤维约束时将产生温度应力。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国AN SYS开发的ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件,其用户涵盖了机械、航空航天、能源、交通运输、土木建筑等众多领域。ANSYS是这些领域进行分析设计技术交流的分析平台,是个功能强大的有限元分析程序,ANSYS主要由前置处理(Preprocess ing)、解题程序(solution)以及后置处理(Postprocessing)以及时间历程等组

3、成。1 工程概况某桥桥梁轴线与水流交角为90 ,桥梁全长287.54m。主桥上部采用35m+60m+90m+60m+35m预应力混凝土刚构-连续箱梁体系;主桥主墩采用双薄壁式墩,主桥边墩采用板式桥墩;基础为钢筋混凝土沉井基础、刚性扩大基础。箱梁采用单箱单室,主跨墩顶高度为5.0m,跨中高度2.0m,箱梁梁高按二次抛物线(y=0.001829x2)变化,顶板厚0.25m,在墩顶范围内为0.5m,底板厚度在墩顶截面为1.0m,墩顶根部为0.7m,在跨中为0.3m,其间按而此抛物线连续变化,腹板厚度按0.70.550.4m变化。全桥总体布置及横断面形式如图1所示。桥模型。ANSYS具有丰富的单元库和

4、材料库,可以通过对各种荷载工况的组合,较为精确的反映出桥梁在各种因素下的综合特征。针对不同的结构,进行单元选择的时候,应尽量选择适用于分析目的的单元,在ANSYS的单元库中,solid90单元为二十节点六面体单元,该二十节点单元有协调的温度形函数,每个节点具有一个温度自由度,本文选用solid90单元。进行单元划分时,可以使用自由网格划分,也可以使用映射网格划分,前者对实体模型无特殊要求,后者要求实体模型具有规则的形状。对该模型进行单元划分,全桥共分181472个单元。3 荷载的施加与有限元求解ANSYS具有多场藕合分析功能,能够对自然界力场、流场、热场、磁场实现全面分析,在ANSYS中,热场

5、与结构应力场属于不同的物理场,要在热场和结构应力场之间建立关系需要进行热应力耦合分析,热应力问题实际上是热和应力两个物理场之间的相互作用。在ANSYS中求解连续刚构桥温度效应时,首先要确定温度梯度模式,各桥涵设计规范对温度梯度模式都作了规定,并且都有一定程度的差异。我国公路桥涵设计通用规范JTGD60-2004规定:计算桥梁结构由温度引起的效应时,可采用图2所示的竖向温度梯度曲线。图2 中国公路规范温度梯度模式(尺寸单位:mm)图1 箱梁横断面图(单位:cm)2 有限元模型的建立在ANSYS仿真分析过程中,有两种输入方式:人机交互输入和用命令流的方式输入,对于复杂的结构用命令流或两者配合输入比

6、较方便,另外,建模过程中,可以利用结构的对称性通过映像的方法也可以起到事半功倍的效果。根据该连续刚构箱梁桥的实际尺寸,用ANSYS建立全收稿日期:2010-01-28对混凝土结构,当梁高H小于400mm时,A=H-100(mm);梁高H等于或大于400mm时,A=300mm。对带混凝土桥面板的钢结构,A=300mm,图中t为混凝土桥面板的厚度(mm)。混凝土上部结构和带混凝土桥面板的钢结构的竖向日照反温差为正温差乘以-0.5。表1 竖向日照正温差计算的温度基数结构类型混凝土铺装50mm沥青混凝土铺装100mm沥青混凝土铺装T1/ 252014T2/ 6.76.75.5作者简介:盛超(1978-

7、),男,济宁人,硕士,讲师,主要从事桥梁工程研究。总第198期黑龙江交通科技第8期在ANSYS进行热结构藕合分析时,实际上是把温差作为一种荷载施加在有限元模型上,然后施加边界条件进行运算求解。ANSYS中藕合场的分析最终可归结为两种不同的方法即直接藕合方法和序贯藕合方法:直接藕合解法,通过计算包含所有必需项的单元矩阵或单元荷载向量来实现,利用包含所有必需自由度的藕合单元类型通过一次求解得出耦合场分析结果;序贯藕合解法按照顺序进行两次或更多次的相关场分析,通过把第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现两种场的藕合。序贯藕合方法简单而且适应性强,对热结构模型限制较少,故本文运用序贯热应力藕合

8、法对连续刚构箱梁进行热结构藕合分析。序贯热应力藕合分析中需要将热单元转换为相应的结构单元,与热单元solid90相对应的结构单元是solid95,Solid95是Solid90的等效结构单元,即3-D结构实体二十节点六面体单元,该二十节点单元有协调的弯曲边界形函数,每个节点具有三个自由度(X,Y,Z三个方向的位移)。本文用热单元solid90及与其相对应的结构单元solid95进行序贯热应力藕合分析。施加温度荷载进行热分析后,将温度作为荷载施加在有限元模型上,按公路规范新规范规定的温度模式施加温度荷载后的有限元模型。4 后处理在ANSYS中,检查分析结果可以使用两种后处理器:POST1通用后处

9、理器,可用来检查整个模型在某一荷载步和子步的结果;POST26时间历程后处理器,可以检查模型的指定点的特定结果相对于时间、频率或其他结果项的变化。选(上接第146页)2.1 理论值伸长量计算参数的合理选用施工中对计算伸长量有影响的参数应针对不同情况合PL理选用。对于钢绞线面积Ag,伸长量公式中 L=AyEg)1+e-(kl+ L1+e-(kl+ !=!面积可化解去,不予考22Eg虑。对于弹性模量,应加大检测频率,以测定出的弹性模量取平均值进行计算。2.2 预应力束长度及摩擦系数等参数的选择预应力束计算长度为方便计算及测定,应选取两个千斤顶工具锚之间距离为计算长度。孔道偏差系数k和孔道摩擦系数

10、的取值主要和所选取的材料及布设管道线形质量有关,尤其是在100m以上现浇连续梁中,有着显著的影响。通过管道定位布设中加密定位筋(直线1m,曲线0.5m)来保证管道的设计线形。对于短束、浇注混凝土时可以先套入相应直径的塑料管,浇注混凝土过程中抽动塑料管,可防止管道进浆,又可保持好的孔型。对于整体浇注的长束,浇注混凝土前一般先将钢绞线穿入管道内,然后采取好的定位措施来保持管道线形,浇注混凝土时抽动单根钢绞线保持管内畅通,可有利减小张拉摩阻。对于长束还可选用摩阻系数小的材质做孔道,如塑料波纹管 值仅为0.120.15,金属波纹管 值为0.20.25,所以可以选择塑料波纹管减少摩阻,减少应力损失,使伸

11、长值偏差更有效的趋于+6%的偏差内。如若更精确,在张拉前先进行孔道摩阻试验,测出实际孔道偏差和摩阻,以实际参数计算理论伸长量,计算结果和实际更相符。2.3 千斤顶和油表的选择千斤顶和油表是配套标定后才使用的,标定时千斤顶主动出缸,压力机被动检验。但在标定千斤顶时,压力机也本用通用后处理器处理仿真计算数据。使用通用后处理器可以把仿真计算结果用应力等值线的方式显示出来,通过有限元分析,求得的连续刚构桥跨中断面的应力云。使用通用后处理器还可以显示模型仿真分析的结构变形,通过有限元分析,求得的连续刚构桥的变形。5 结 语用ANSYS有限元分析软件求解连续刚构箱梁桥的温度效应,涉及到有限元模型的建立、单

12、元类型的选择、热应力耦合分析类型选择以及后处理等问题。我们应该根据具体情况寻求适宜的方法,满足我们学习研究的需要。参考文献:1 蒋国富.大跨径桥梁高墩日照温度效应的研究D.长安大学,2005.2 康为江.钢筋混凝土箱梁日照温度效应研究D.湖南大学硕士论文,20003 柯尊礼.大跨度PC连续箱梁桥的温度场及其效应分析D.武汉理工大学硕士论文,20044 王琳,项贻强,王劲丰,王建江.各国规范关于混凝土箱梁桥温度应力计算的分析与比较J.公路,2004,(6):76785 中华人民共和国行业标准.JTGD60-2004公路桥涵设计通用规范M.北京:人民交通出版社,2004 6 王富耻,张朝晖.ANS

13、YS10.0有限元分析理论与工程应用M.北京:电子工业出版社,20067 陈精一,蔡国忠.电脑辅助工程分析ANSYS使用指南M.北京:中国铁道出版社,20018 王建江,胡仁喜,刘英林等编著.ANSYS11.0结构与热力学有限元分析实例指导教程M.北京:机械工业出版社,2008身有摩阻力,且与正常使用时相反,故试验机表盘读数反映的也不是千斤顶的实际作用力,因此必须事先用足够吨位的标准测力计对试验机进行被动标定,以确定试验机度盘数值,然后标定千斤顶时就可以从试验机表盘上读出千斤顶的实际作用力以及相应的油压表准确读数。张拉力准确了从而可减少系统误差引起的伸长量偏差。油压表由于最大精度只能达到0.5MPa,以及油泵供油时油压增大,表针来回摆动对准确定位张拉力产生误差,纠正此问题可采取使用带阻压的高品质油压表,使张拉过程中表盘指针不摆动但稳步增长,可对准确定位张拉力起到好的作用。再者选用与张拉吨位相适应的千斤顶使表针对力的变化反映更灵敏,可提高张拉力定位精度,从而使伸长值量测相应更准确。2.4 张拉操作过程避免人为误差张拉操作过程中千斤顶要对准,使千斤顶准确的坐在工作锚限位板上。张拉前打紧夹片并调整预应力束到初应力以使钢束均匀同步受力,使伸长值更准确。量测伸长量的钢尺要标定,同时量测人员要定人,量测位置要做记号,每次量测同一位置,从而使量测的值准确。操作油泵人员应是熟练工,张拉到