淺析有限元分析對(duì)城市橋梁建設(shè)的作用

1、淺析有限元分析對(duì)城市橋梁建設(shè)的作用 淺析有限元分析對(duì)城市橋梁建設(shè)的作用 摘要：隨著現(xiàn)代技術(shù)的開(kāi)展，有限元分析方法已經(jīng)成功運(yùn)用到城市橋梁建設(shè)中，本文主要闡述通過(guò)有限元分析方法，得出橋梁建設(shè)中的重要參數(shù)，輔助橋梁設(shè)計(jì)，表達(dá)有限元方法為城市橋梁建設(shè)提供了理論根底和科學(xué)依據(jù)的重要作用。關(guān)鍵詞：有限元、城市橋梁建設(shè)、橋梁設(shè)計(jì)中圖分類(lèi)號(hào)：K928.78 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 引言：現(xiàn)代社會(huì)的交通事業(yè)迅速開(kāi)展，城市橋梁已在交通中發(fā)揮著非常重要的作用。為了合理設(shè)計(jì)橋梁，對(duì)橋梁進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)分析，既費(fèi)時(shí)又不經(jīng)濟(jì)，已經(jīng)不是一種合理的方法。而隨著技術(shù)的開(kāi)展，我們可以通過(guò)有限元分析的方法，對(duì)橋梁進(jìn)行全面的分析，得到更為可靠的

2、數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)更為科學(xué)的橋梁，保證橋梁的平安可靠。 1.有限元分析在橋梁混凝土凝固過(guò)程中的作用。通過(guò)有限元分析，可以在鋼筋混凝土凝固過(guò)程，合理控制溫度和溫度應(yīng)力，防止出現(xiàn)溫度裂縫，保證結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度場(chǎng)發(fā)生變化時(shí),假設(shè)受到外部約束或溫度場(chǎng)不均勻時(shí),會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力,稱(chēng)為溫度應(yīng)力。溫度應(yīng)力的出現(xiàn)以及其危害，引起工程上的關(guān)注?；炷聊踢^(guò)程分為兩個(gè)階段。第一個(gè)階段是水泥在凝固和硬化期放出大量的熱，混凝土處于迅速升溫階段，如果混凝土外表溫度較低，內(nèi)部溫度持續(xù)升高。當(dāng)混凝土初凝時(shí) ，內(nèi)部混凝土升溫膨脹，體積變大，就會(huì)造成混凝土外表開(kāi)裂。第二階段是硬化后期降溫，隨著核心混凝土溫度的降低 ，體

3、積逐漸變小，如果內(nèi)外溫差較大，就會(huì)在混凝土中心形成拉應(yīng)力乃至裂縫。通過(guò)有限元，建立分析模型，引入邊界條件，進(jìn)行溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析，收縮和徐應(yīng)變分析，我們得出以下結(jié)論：水泥在水化過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量聚集在混凝土底板內(nèi)部不易散失，隨著混凝土齡期的增長(zhǎng)，實(shí)際混凝土內(nèi)部的最高溫度多數(shù)發(fā)生在混凝土澆筑的三到五天。澆筑初期混凝土強(qiáng)度很低，溫度應(yīng)力也較小，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)其強(qiáng)度相應(yīng)提高，第七天左右開(kāi)始出現(xiàn)高強(qiáng)度區(qū)域，而且分布的范圍最廣，第七天以后超高強(qiáng)度的區(qū)域逐漸減小且大局部分布在邊界應(yīng)力集中的地區(qū)，施工時(shí)應(yīng)主要控制第七天左右的溫度和熱應(yīng)力變化，同時(shí)關(guān)注高強(qiáng)區(qū)分布范圍的變化； (2)混凝土受外界氣溫

4、及澆筑溫度的影響較明顯，高溫施工是造成混凝土內(nèi)部溫度高的直接原因；(3)施工中常通過(guò)參加添加劑來(lái)降低強(qiáng)度,但是效果并不是很理想，建議通過(guò)調(diào)整保溫層來(lái)控制高強(qiáng)區(qū)的應(yīng)力； 利用這些參數(shù)與結(jié)論，有效地利用了高強(qiáng)度的鋼筋和混凝土，可以形成比普通混凝土跨度大而自重輕、截面小的承重結(jié)構(gòu)物；可以改善鋼筋混凝土的使用性，可以承受相當(dāng)大的的過(guò)載而不會(huì)引起永久性的破壞，進(jìn)而得到更加穩(wěn)固的橋梁。2.有限元在橋梁承受動(dòng)力載荷分析時(shí)的作用。 通過(guò)有限元，可以對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析，使橋梁結(jié)構(gòu)更合理。橋梁的動(dòng)力載荷分析是研究橋梁的自振特性和車(chē)輛載荷與橋梁結(jié)構(gòu)的聯(lián)合振動(dòng)特性。這些測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)是判斷橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)狀況和承載特性

5、的重要指標(biāo)。當(dāng)橋梁自振頻率處于某些范圍時(shí),外荷載,包括行駛車(chē)輛、行人,地震、風(fēng)載,海浪沖擊等都可能會(huì)引起橋共振,使得乘客和行人感覺(jué)不舒服,甚至振幅過(guò)大危及橋梁結(jié)構(gòu)平安運(yùn)營(yíng)。利用結(jié)構(gòu)的自振頻率與其剛度和質(zhì)量有著確定的關(guān)系,在設(shè)計(jì)時(shí)就要防止引起橋跨結(jié)構(gòu)共振的強(qiáng)迫振動(dòng)振源,如風(fēng)、地震、等車(chē)輛的頻率與橋跨自振頻率耦合。通過(guò)有限元軟件ANSYS建立有限元模型,由于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性主要由結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度決定,故必須精確地模擬構(gòu)件的剛度和質(zhì)量。對(duì)于縱梁而言,梁?jiǎn)卧膭偠燃礊榭v梁本身的剛度,但梁?jiǎn)卧馁|(zhì)量為橋面系的所有質(zhì)量,除了縱梁本身的質(zhì)量外,還包括了橫隔板、橋面鋪裝、欄桿、人行道、燈柱等,均以線(xiàn)密度的形式計(jì)

6、入。主梁與橋墩自由度主從,考慮到淤泥較厚,墩底與地面彈性固結(jié),完全符合設(shè)計(jì)圖紙所給出的數(shù)據(jù).分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)自振特性、自由振動(dòng)特性、環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)特性的測(cè)試和橋梁橋梁抗震反響譜法的計(jì)算，經(jīng)過(guò)綜合分析可得到精確而真實(shí)的共振頻率、抗震特性等數(shù)據(jù)，為橋梁建設(shè)提供可靠的理論依據(jù)。 3.有限元在橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析時(shí)的作用。橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問(wèn)題是關(guān)系到其平安與經(jīng)濟(jì)的主要問(wèn)題之一，而且由于大跨度橋梁日益廣泛地采用高強(qiáng)度材料和薄壁結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定問(wèn)題更顯得重要。 橋梁結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)現(xiàn)象可分為以下幾類(lèi)：個(gè)別構(gòu)件的失穩(wěn)；局部結(jié)構(gòu)或整個(gè)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)；構(gòu)件的局部失穩(wěn)，而且局部的失穩(wěn)常常導(dǎo)致整個(gè)構(gòu)建的失穩(wěn)。 當(dāng)結(jié)構(gòu)所受載荷到達(dá)某一數(shù)值時(shí)，假

7、設(shè)增加一微小變量，即稍有撓動(dòng)，那么結(jié)構(gòu)的平衡位置將發(fā)生很大的改變，這種情況叫做結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)或屈曲，相應(yīng)的載荷稱(chēng)為屈曲載荷或臨界載荷。穩(wěn)定性問(wèn)題可分為兩類(lèi)：平衡分支問(wèn)題，即到達(dá)臨界載荷時(shí)，除結(jié)構(gòu)原來(lái)的平衡狀態(tài)理論上仍然可能出現(xiàn)第二平衡狀態(tài)；結(jié)構(gòu)保持一個(gè)平衡狀態(tài)。隨著載荷的增加在應(yīng)力較大的區(qū)域出現(xiàn)塑性變形，結(jié)構(gòu)的變形迅速增大，當(dāng)載荷加到一定數(shù)值時(shí)，即使不再增加載荷，結(jié)構(gòu)變形也會(huì)迅速增大而導(dǎo)致使結(jié)構(gòu)破換，這個(gè)載荷實(shí)際上是結(jié)構(gòu)的極限載荷，例如偏心受壓桿件，實(shí)際的結(jié)構(gòu)問(wèn)題都屬于第二類(lèi)。 在線(xiàn)性穩(wěn)定條件下，利用有限元的方法，得出其結(jié)構(gòu)靜力平衡方程為：(KD+KG)=FKD為彈性剛度矩陣，KG為幾何剛度矩陣，

8、由此可以求得在載荷F作用時(shí)的位移，如果載荷不斷增加，那么結(jié)構(gòu)位移不斷增大。由于KG與載荷有關(guān)，因而橋梁結(jié)構(gòu)的位移與力不再是線(xiàn)性關(guān)系，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)隨遇平衡狀態(tài)。而對(duì)于實(shí)際結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)或計(jì)算應(yīng)該采用非線(xiàn)性屈曲分析。非線(xiàn)性屈曲分析是用一種逐漸增加載荷的非線(xiàn)性靜力分析技術(shù)來(lái)求得使結(jié)構(gòu)開(kāi)始變得不穩(wěn)定的臨界載荷的分析方法，分析中可以包括如初始缺陷、塑性、間隙、大變形響應(yīng)等特征。通過(guò)有限元軟件ANSYS,在大變形效應(yīng)下，對(duì)橋梁進(jìn)行的非線(xiàn)性屈曲分析是一種靜力分析。非線(xiàn)性分析主要有以下幾個(gè)步驟： 建立有限元模型； 特征屈曲分析； 求解；求解錢(qián)應(yīng)施加初始缺陷，初始缺陷的大小將影響非線(xiàn)性屈曲分析的結(jié)果，在載荷-位移響應(yīng)中

9、，初始缺陷將消除載荷-位移響應(yīng)中的尖端不連續(xù)段，缺陷值與結(jié)構(gòu)的整體尺寸關(guān)系不大。選擇的分析類(lèi)型為靜力分析，因?yàn)榉蔷€(xiàn)性屈曲分析是一種將幾何非線(xiàn)性效應(yīng)一直延續(xù)到結(jié)構(gòu)到達(dá)極限載荷時(shí)的靜力分析。 查閱結(jié)果 查閱結(jié)構(gòu)時(shí)，做出載荷位移曲線(xiàn)，因?yàn)樗梢詭椭_定導(dǎo)致求解發(fā)散的原因是物理不穩(wěn)定性，還是數(shù)值不穩(wěn)定性。應(yīng)該注意以下問(wèn)題：求解不收斂，不一定是載荷最大值；如果結(jié)構(gòu)上的載荷完全在平面內(nèi)，那么將不會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)致屈曲所必須的面外變形，所進(jìn)行的分析也得不到屈曲結(jié)果。而通過(guò)有限元分析所得到的這些理論依據(jù)，必將為我們?cè)O(shè)計(jì)出合理的橋梁提供可靠的保證。結(jié)束語(yǔ)：本文通過(guò)對(duì)橋梁混凝土凝固、橋梁承受動(dòng)載荷以及橋梁失穩(wěn)三方面的分析，表現(xiàn)了有限元在橋梁建設(shè)中的重要作用，同時(shí)也在一定程度上展現(xiàn)了如何了如何運(yùn)用有限元輔助橋梁建設(shè)，從而設(shè)計(jì)出平安可靠的橋梁。參考文獻(xiàn) ： 【1】 邵紅艷、竺潤(rùn)祥、任茶仙、結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力場(chǎng)的有限元分析J 寧波大學(xué)學(xué)報(bào) 2003.16(1): 57-60【2】楊俊華、胡杰.大體積混凝土控制技術(shù)初探.仁淮海工學(xué)院學(xué)報(bào)2002.11:53-56 【3】朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制M北京中國(guó)電力出版社.1999 【4】李國(guó)豪 、石洞.公路橋梁荷載橫向分布計(jì)算 (第二版)M.人民交通出版社. 1987 【