钢管混凝土系杆拱桥施工仿真的探讨

赵修祥 忽慧涛 刘博

摘要：以钢管混凝土系杆拱桥为分析对象，探讨有限元软件对其施工过程的仿真。针对不同软件的特点，讨论各仿真方法的重点及难点。为更好的利用有限元对桥梁进行设计和施工开拓思路。

关键词：钢管混凝土系杆拱桥 有限元 施工仿真 设计和施工

Abstract: with steel tube concrete arc bridge is analyzed for subjects, this paper discusses the finite element software on the construction process of the simulation. According to the characteristics of different software, discusses the key points and difficulties of the simulation method. For better use of finite element analysis of bridge for the design and construction development train of thought.

Keywords: steel tube concrete arc bridge construction finite element simulation design and construction

中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：

1.概述

钢管混凝土系杆拱桥是桥梁发展的较新技术，具有跨越能力大，通航能力高，造型美观等优点，在我国发展迅速。此类桥施工工序多，结构体系随施工不断变化，它的施工问题也日益受到重视。同时随着桥梁建设数量增加、新形式、更大跨径等新问题对桥梁施工控制也提出了更高的要求。

施工仿真计算是施工控制的基础，能在桥梁建设之前提供的各施工阶段的控制的目标，为桥梁实际施工中的监测监控提供服务。桥梁施工控制是对施工过程中结构的应力应变及稳定性提供的监控，为结构在各阶段的施工中处于最优状态，保证施工过程安全和成桥状态的内力和线形符合规范，满足设计要求提供保障。

2.有限元仿真应用

当前应用比较广泛的桥梁仿真软件有Ansys、Midas Civil和桥梁博士等。软件研发时都是针对不同的使用环境，如何利用软件特点做好仿真，是仿真技术应用的一个难点。各施工阶段考虑的主要因素决定仿真模型的精确程度，对同一个结构的关注点不同，分析方法和采用的模型也往往不相同。所以在保证计算精度的前提下，结合具体工况将复杂模型合理简化，即要保证结构计算的速度，又要满足工程的需要。下面就各有限元软件特点，采用正装法分析法对施工仿真进行介绍。

2.1有限元软件Ansys的应用

Ansys最早由Dr.John Swanson研发其后不断改进，凭借其强大的功能，得到迅速发展，称为世界工程设计广为关注的大型通用有限元软件。Ansys提供强大的建模功能适应各种复杂的几何模型。Ansys拥有非常强大分析功能，其分析类型包括了静力分析、特征屈曲分析、模态分析、显式动力分析等。在桥梁仿真计算中被用来模拟精细部件的力学特性分析，其精度也被广泛认可。

仿真建模时，主要考虑到对系杆拱桥整体分析。选用beam188单元，采用“双单元法”建立拱肋模型。选用link10单元，采用“降温法”或设置初应变的方法模拟预应力的张拉。选用link8单元，采用降温法以施加外力的方式模拟吊杆张力调整。选用combin14单元，应用设置keyopt的方法模拟施工过程中的支架。选用shell63单元，应用设置厚度的方法模拟桥面板部分。建模时对重点部位的细致模拟，是该软件的一大特点。

仿真施工过程时，主要应用到ansys特有的“单元生死”功能来完成。在施工前将单元全部“杀死”，然后依照施工顺序将相应阶段的单元“激活”。在将单元“杀死”时，默认的将其结构的结构矩阵乘子定义为1E-6，该部分结构对单元刚度矩阵的贡献忽略不计。应用该方法时，需对结果处理器中的一些参数进行设置。如：需要打开结构的几何非线性开关，需选用牛顿-拉夫森求解器。如果不能满足收敛要求，则需要对自动时间步长，非线性搜索等进行设置，这里就不一一赘述。

仿真施工后处理时，主要应用通用后处理器post1。选择关心的时间步骤，结合定义单元结果功能，观察该阶段的应力应变或稳定性。后处理时既可以选择形象的云图，也可以选择精确的列表输出，图表并茂使得观察直观明了。

2.2 有限元软件Midas cvil 的应用

Midas civil是由韩国POSEC公司研发的针对桥梁开发的有限元软件。由于其简便的前后处理功能，准确的计算分析及设计能力，被广泛应用。软件中包含中国、美国、日本等国规范，方便各國桥梁设计研究人员的分析。除对结构的应力应变输出外，还能结合规范建立荷载组合，使后处理变得十分方便，大大提高了对桥梁研究与设计的工作效率。 因此被结构设计和研究工作人员所接受。

仿真建模时，针对施工中的研究过程，可以建立单梁模型、梁格模型、板壳模型和实体模型。对钢管混凝土系杆拱桥而言，采用梁格法建立模型最为合适。建模重点是梁截面划分，虚拟纵横梁进行设计。就此而言是仁者见仁智者见智，没用统一的具体规定，但划分梁格的好坏却决定着模型计算结果的精确程度。选用单元时主要是用一般梁单元模拟桥面和拱肋部分，用桁架单元模拟吊杆部分。建模助手的开发为该软件的亮点，使得复杂模型的建立变得简单形象；对不同材料的收缩徐变设置变的十分简洁，这些使得建模阶段的工作效率大大提高。

仿真施工过程时，应用到MIDAS特有的施工阶段定义和联合截面施工定义功能。MIDAS仿真施工时，形象的把施工阶段定义不同的组，通过施工阶段定义各组的添加时间及顺序，使得施工过程的模拟变得明了。施工阶段联合截面的定义，使得复杂截面的不同阶段施工的仿真模拟变成现实。通过“索的初拉应力控制”，刚臂的设置等，能够对施工的步骤进行进一步细化。

仿真后处理时，MIDAS能够结合规范生成各种荷载的效应组合，将施工阶段甚至使用阶段的各种最不利情况加以表述。将后处理数据结合“未知荷载法”方法，能够实现一次性落架时吊杆张力的优化；结合“psc设计”的方法，能够实现对普通钢筋的表现。MIDAS的后处理使得对桥梁的结构安全性验算变得十分丰富。

2.3 有限元软件桥梁博士的应用

桥梁博士是由上海同豪土木咨询公司研发，十分受国内用户欢迎的软件。其特点是强大的平面杆系有限元分析能力，详细的国内现行公路桥梁规范。设计范围包括钢筋混凝土结构、组合结构、预应力混凝土结构等。针对施工过程的模拟也十分强，后处理功能和设计功能均较为完善。桥梁博士软件在国内桥梁工程界占有一席之地。

仿真建模时，主要利用二维梁单元将桥体简化为二维平面杆系。结合系杆拱的特点，采用建立右半边的模型。利用梁单元完成拱肋及桥面的模拟，利用索单元完成吊杆的模拟，利用钢束单元完成预应力钢束的模拟。将模型进行简化，对重点关心的结构整体的受力特性进行分析在建模时表现的最为突出。

施工过程仿真时，主要利用施工阶段的添加来完成。模拟时可以将各个施工阶段的结构添加，预应力张拉，杆件的安装等施工过程充分的细化。在能够满足施工仿真的精度要求的同时，对各施工的阶段受力的特点表现突出。

仿真的后处理时，在数据模块的单元、钢束、施工阶段等模块中将桥梁计算的各阶段应力应变逐一输出。利用特色的“调索”、“调束”功能能够对吊杆的张力和系杆的预加应力进行优化。利用“横向设计”和“截面设计”等模块，可以进一步对桥梁的横向分部和截面进行优化设计。该软件不但具有图表并茂的输出形式，更是结合规范将对桥梁的设计融入其中。在结构内力计算，结构配筋计算，结构安全性验算方面都有涉及。3.结语：

以钢管混凝土系杆拱桥为例，利用主流的有限元计算软件对桥梁施工进行仿真。针对各软件不同的特点，对桥梁仿真的建模，施工过程的仿真，结果的后处理等逐一介绍。利用各有限元软件对工程实际的仿真，就桥梁施工各阶段应力应变及其稳定性进行分析，为施工监控提供部分理论依据，对桥梁的施工和成桥状态控制都有着重要意义。

4.参考文献

[1].王新敏 ANSYS工程结构数值分析[M]人民交通出版社 2007

[2].邱顺冬 桥梁工程软件midas civil应用工程实例[M]人民交通出版社 2011