对刚拱桥的极限承载力分析.doc

刚架拱桥的极限承载力分析 孙志强1 程鹏军2 中国水利水电第七工程局有限公司 四川 成都） 中国水利水电第七工程局有限公司 四川 成都） 【摘要】本文采用几何和材料的双重非线性影响，采用有限元方法对钢筋混凝土刚架拱桥进行了极限承载力分析。依托一座60m的刚架拱桥，在归纳了刚架拱桥的受力特点，产生病害的主要因素的基础上，根据结构极限承载力分析理论，利用有限元程序，建立分析模型，对极限承载力进行分析。 本文还分别另外还有一些对极限承载力有一定影响，有待进一步研究。1 桥梁概述 本文实桥采用《公路桥涵设计手册》中《拱桥（下）》的一座跨径为60米的钢筋混凝土刚架拱桥来进行建模分析。 跨径组合：单孔60米 荷载标准：汽——20；挂——100。人群3.0 桥 宽：净9.0+21.5m人行道； 矢跨比：1/10； 施工方案：有支架预制安装，裸拱片分四段预制，接头采用钢板电焊干接头，成拱后，在其上安装斜撑和弦杆，并用湿接头相连。 实腹段下缘采用二次抛物线，拱腿为直杆，弦杆段和实腹段均为凸形，以便于安装肋腋板或微弯板。为了保证拱片与桥面系的紧密结合，还在拱片顶部设置锚筋、键块或齿槽，以保证其结合的整体性。 2 建模软件介绍 ANSYS软件提供了近190种单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。同时还提供了宏(Macro)、用户界面设计语言(UIDL)、用户编程特性(UPFs)和参数设计语言(APDL)几种工具。这是ANSYS给予用户最大主动权的二次开发技术，它充分显示了ANSYS的开放式体系。ANSYS具有很强的非线性分析功能，包括大变形、大应变、应力强化与旋转软化等几何非线性，可模拟七十余种不同类型的非线性材料，如橡胶、泡沫、岩石、土壤等各种特殊材料，提供了多达二十余种接触类型，如刚体对柔体、柔体对柔体接触等，模拟任意的工程结构的边界非线性，还包括死/活单元、集中质量单元、弹簧单元、断裂单元、钢筋混凝土单元、非线性阻尼元、非线性弹簧等单元专门用于模拟各种特殊类型的非线性问题。 正是由于ANSYS具有友好的用户截面、开放式的体系和强大的非线性分析功能，使之特别适合桥梁工程的极限承载力分析，因而本论文选用ANSYS作为研究工具。 3 建模及分析 . 1 单元的选择 全桥采用SOLID5单元，这个单元的几何结构、节点位置, 和坐标系如下图所示. solid45单元用于构造三维实体结构.单元通过8个节点来定义,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度. 单元具有塑性,蠕变,膨胀,应力强化,大变形和大应变能力。有用于沙漏控制的缩减积分选项。有关该单元的细节参看ANSYS理论参考中的SOLIDE45部分。类似的单元有适用于各向异性材料的solid64单元。Solid45单元的更高阶单元是solid95。 该单元的几何形状、结点位置、坐标系如上图的描述所示。该单元可定义8个结点和正交各向异性材料。正交各向异性材料方向对应于单元坐标方向。单元坐标系方向参见坐标系部分。 单元荷载参见结点和单元荷载部分。压力可以作为表面荷载施加在单元各个表面上，如上图所示。正压力指向单元内部。可以输入温度和流量作为单元节点处的体载荷。节点 I 处的温度 T(I) 默认为 TUNIF。如果不给出其它节点处的温度，则默认等于 T(I)。对于任何其它的输入方式，未给定的温度默认为 TUNIF。对于流量的输入与此类似，只是默认值用零代替了TUNIF。 PT(1)用于指定包括或不包括附加的位移形函数。KEYOPT(5)和KEYOPT(6)提供不同的单元输出选项（参见单元输出部分）。 当KEYOPT(2)=1时，该单元也支持用于沙漏控制的均匀缩减（1点）积分。均匀缩减积分在进行非线性分析时有如下好处： （1） 相对于完全积分选项而言，单元刚度集成和应力（应变）计算需要更少的CPU时间，而仍能获得足够精确的结果。 （2）相对于完全积分选项而言，单元刚度集成和应力（应变）计算需要更少的CPU时间，而仍能获得足够精确的结果。 （3）当单元数量相同时，单元历史存储记录（.ESAV 和 .OSAV）的长度约为完全积分（2×2×2）的1/7。 （4）非线性分析的收敛性通常远比采用额外位移形状的完全积分要好；即，KEYOPT(1) = 0, KEYOPT(2) = 0。 （5）分析结果不会受（由塑性或其它不可压缩材性引起的）体积锁死的影响。 采用均匀缩减积分有以下缺点： （1）当采用相同网格进行弹性分析时，结果显然不如完全积分方法精确。 （2）采用单层单元时不能很好的得到结构的弯曲特性（例如，一根悬臂梁，受横向集中力，采用单层单元）。建议采用4层单元。 当采用均匀缩减积分选项时（KEYOPT(2) = 1 – 这和SOLI