中小跨度混凝土梁式桥快速建模计算关键技术

陈晓华，刘锡鑫，叶 鹏

(1.军事交通学院 研究生管理大队，天津300161;2.军事交通学院 学员旅，天津300161;

3.军事交通学院 科研部，天津300161)

在我国公路桥梁中，中小跨度混凝土梁式桥占到相当大的比重。近年来，我国中小跨度桥梁中危旧桥梁数量增长明显，其在桥梁总数中的比例很高［1］，对我军重装备的通过性造成了较为严重的影响。在重装备通过承载能力不明的中小跨度混凝土梁式桥之前，亟需对桥梁的承载能力进行检测评估，其中，基于有限元计算程序的仿真评估方法越来越受到工程界的重视和认可。

ANSYS 是得到工程界广泛认可的大型通用化有限元分析软件，可以对桥梁结构进行细致的结构分析，但是专业性强，难于掌握。为了克服基层指战员专业水平相对不高，桥梁评估知识相对较弱的缺点，基于C#开发平台，开发了《危旧桥梁重装备通过性检测(仿真)评估系统》(以下简称《评估系统》)，可在电脑界面中通过参数输入的方式建立实测桥梁有限元模型及施加荷载，并自动后台调用ANSYS 进行分析计算，同时设置了结果查看功能，增强了本技术的现场适用性。

1 桥梁通用模型的建立

1.1 桥梁通用模型建模数据

为了便于现场施工以及维修加固，现在大部分的中小跨度梁式桥一般参照部颁图纸，使用标准跨径并采用标准截面和钢筋分布形式。按照部颁图纸，将桥梁分为普通板梁桥、预应力板梁桥、工字梁桥和箱梁桥4 种形式，其中普通板梁桥又可分为普通实心板梁桥和普通空心板梁桥2 种。为了便于在实际使用中修改桥梁参数和重装备的轴重、轴距等数据，在建立桥梁的通用模型时，不使用实际数据进行建模，而是使用ANSYS 的参数化编程语言APDL 中全局变量和局部变量表示的参数进行建模。将参数分为桥梁数据、混凝土数据、钢筋数据和荷载数据4 类。

1.1.1 桥梁数据

(1)计算跨径。计算跨径为桥梁的2 个支座中心线之间的距离。

(2)截面尺寸。按照桥梁的分类形式，需要针对各种桥梁的截面形式分别预设不同的截面尺寸，在《评估系统》中，给出了5 种桥梁的截面示意图，可快速确定每种桥梁形式的截面尺寸(如图1所示)。

图1 5 种梁式桥截面示意

(3)梁板数量。在建模时，通常首先建立一片梁或者板的实体模型或有限元模型，然后通过复制来获得多片梁的有限元模型，因此需要现场实测梁板数量，来建立整座桥的有限元模型。

(4)单双行数。在有些桥梁中，为区分上下行车辆，通常在桥梁中间设置隔离带，因此需要预设重装备通行的位置。在本文程序中，单行用1 表示，双行用2 表示。

1.1.2 混凝土数据

对于普通钢筋混凝土桥梁，可能存在开裂行为，因此，需要预设的混凝土数据包括混凝土弹模、泊松比、密度、开裂强度和塑性系数。对于预应力钢筋混凝土桥梁，不允许开裂的出现，因此只需要预设混凝土强度、弹模和密度数据。

1.1.3 钢筋数据

需要预设的钢筋数据包括保护层厚度、钢筋泊松比和密度。对于普通钢筋混凝土桥梁，需要定义普通钢筋面积(用以小荷载试验调整配筋率)和普通钢筋弹模;对于工字梁桥(全预应力梁桥)，需要定义预应力钢筋面积(用以小荷载试验调整配筋率)和预应力钢筋弹模;对于箱梁桥，除了有预应力钢筋外，受拉区还有普通钢筋，因此，需要定义普通钢筋面积(用以小荷载试验调整配筋率)和普通钢筋弹模，以及预应力钢筋面积(用以小荷载试验调整配筋率)和预应力钢筋弹模。

1.1.4 荷载数据

为了便于参数化加载，在桥梁有限元模型建立过程中需要考虑加载的问题。在进行混凝土有限元模型建立时，分段建立模型或者分段拉伸，保证加载点存在节点。需要施加的荷载包括2 种，一种是基于小荷载试验模型修正中的标准检测车荷载，另一种是重装备荷载。

标准检测车是拟在后续研究中开发的一种桥梁检测设备和评估设备承载平台，同时兼具小质量荷载的作用，其轴重和轴距是确定的。在施加标准检测车荷载时，不需要特别明确荷载施加位置，只需要现场实际加载位置和有限元模型加载位置一致即可(如图2 所示)。

图2 标准检测车荷载图示

使用重装备进行加载时，需要将重装备置于最不利荷载位置，本文规定重装备作用于桥梁上的最不利荷载位置时，第1 个轴距离支座的长度规定为距离1，第1 个轴距为距离2，第2 个轴距为距离3，以此类推，如图3 所示。此外，荷载数据还包括轮距，即每轴两轮中心线之间的距离。

图3 最不利荷载位置示意

1.2 荷载和约束的施加

在建立桥梁通用模型的过程中，必须要考虑荷载和约束的施加问题。

(1)荷载的施加。在建立桥梁模型时，首先建立端截面的有限元模型，然后采用拉伸端截面的方式获得整座桥梁的有限元模型。为了保证荷载施加的位置存在节点，桥梁纵向不采用一次性拉伸至桥梁跨度的方式，而是采用分段拉伸的方式，首先拉伸距离1，然后拉伸距离2，直到拉伸到桥梁跨度，这样可以保证在桥梁纵向上，轴重施加点存在节点。

同时为保证横桥向轴重施加点处存在节点，端截面划分网格时，采用面尺寸，面单元大小假设为0.1 m，在选择横桥向荷载施加节点时，首先选择荷载施加点附近0.09 m 区间内的节点，这样可以保证选中至少一个节点，然后将选中的节点按照节点号排序，选择节点号较大的一个节点，然后施加轴重荷载。这样可能存在一定的误差，但误差极小，可忽略不计。经过这样的处理，可在荷载施加点附近选中合适的节点，保证荷载施加的正确合理性。

(2)约束的施加。施加约束时，首先，选择桥梁端截面最下方两排节点施加竖向约束，模拟支座的竖向支撑作用;然后，选择桥梁最外侧支座处最边缘的一个节点施加横桥向和纵桥向约束，在该支座的纵向对侧支座处选择最外侧节点施加横向约束，在该支座的横桥向对侧支座处选择最外侧节点施加纵向约束，分别用来约束桥梁横桥向位移和纵桥向位移。以普通实心板梁桥为例，约束施加如图4 所示(省略对竖向约束的表示)。

1.3 桥梁通用模型的建立

将上述数据预设了合适的参数，用全局变量和局部变量表示参数，分别编写了5 种桥梁形式适用于任何跨度和任意荷载形式的通用命令流，建立了5 种桥梁形式的通用有限元模型并施加了约束及荷载(如图5 所示)。

图4 桥梁约束示意

图5 5 种桥梁形式的通用模型

在实际操作中，只需要根据现场实测数据将上述相应桥梁形式的通用模型参数加以修改，就能达到快速建模的目的。

2 实桥有限元模型的建立

在建立中小跨度桥梁通用模型时，需要预设桥梁数据、混凝土数据、钢筋数据和荷载数据，同样，在现场也需要检测这4 类数据，用以修改通用有限元模型，达到快速建立实测桥梁有限元模型以及加载计算的目的。文献［2］对上述数据的检测方法进行了系统的研究，并选定了每种数据的检测设备和方式［2］。

在获得现场实测数据后，就可以对通用有限元模型进行修改，这一过程相对复杂而且专业性很强，不适于部队人员操作。鉴于此，《评估系统》开发了参数修改功能，可在参数修改界面通过简单的数值输入的方式轻松修改参数，而不必在桥梁通用模型的命令流中进行修改，这大大降低了部队人员的操作难度，增强了该技术的实用性。参数修改的过程包括以下3 个关键步骤。

(1)读取相应的通用桥梁模型命令流。5 种通用桥梁模型形式对应了各自的建模、加载命令流，在命令流中，预设了可能进行修改的参数。以工字梁为例，在系统的二级界面中选择了工字梁后，系统会自动弹出工字梁桥功能界面，在点击“参数替换”按钮后，自动弹出工字梁桥参数修改界面，同时系统读入工字梁桥的命令流文件(如图6 所示)。

图6 工字梁桥参数修改

(2)完成参数的读值及传值。在读取工字梁桥的命令流后，程序读取命令流中的参数并将参数值传递到工字梁桥参数修改界面中。

(3)完成参数的接收、修改及返回。首先，在工字梁参数修改界面，完成参数的接收;然后，将参数值赋予textBox.Text;再次，在工字梁桥参数修改界面手动修改参数值，读取参数值并返回工字梁桥功能界面;最后，完成参数的替换。在完成参数的修改后，系统会提示是否保存修改后的命令流并调用ANSYS 进行计算。

3 系统对ANSYS 的后台调用

在完成数据修改工作并保存修改后的命令流之后，需要打开ANSYS 进行分析计算，最常用的方法是通过ANSYS. EXE 打开ANSYS，将命令流复制粘贴到ANSYS 的Command Window 中，然后回车开始运算。这里为了保持系统操作的流畅性并减少出错的可能性，开发了自动后台调用ANSYS进行分析计算的功能。ANSYS 提供了开放性开发功能，与其他软件有良好的接口，可被其他软件进行调用分析。

3.1 ANSYS 主程序的后台调用和计算

在工字梁桥功能界面，点击“保存文件并调入ANSYS 分析”按钮，系统会提示保存修改后的命令流及结果文件，然后开始进行分析，其中，调用ANSYS 的关键语句如下所示:

同时，系统中添加定时器，判断ANSYS 计算是否结束。

3.2 结果文件的生成及查看

在每种形式的桥梁通用模型命令流中，都预置了生成挠度文件和保存图片的命令。其中需要保存的挠度包括跨中挠度和最大挠度2 种，分别对应标准检测车荷载和重装备荷载。保存的图片包括实体模型图、单元图、三向应变云图以及三向应力云图。在计算完毕并执行后处理命令后，会在ANSYS 当前工作目录下生成名为NAODU 的TXT 文件［3］，并生成图片。

同样以工字梁桥为例，点击结果查看界面的挠度值按钮，系统自动读取NAODU. TXT，并显示最大挠度和跨中挠度值;点击结果图按钮，系统会提示选择单元图、三向应变云图以及三向应力云图进行查看，以竖向应变云图为例，显示图片如图7 所示。

图7 工字梁桥竖向变形云图

4 结 语

简述了《危旧桥梁重装备通过性检测(仿真)评估系统》开发的关键技术，首先采用ANSYS 的参数化编程语言，编写了中小跨度桥梁建模通用命令流，建立了桥梁通用模型;然后通过参数修改技术建立了现场实测桥梁模型并实现荷载自动施加;最后通过后台调用ANSYS 技术实现了自动计算功能。通过该系统，可以快速计算重装备荷载通过桥梁时产生的最大挠度值，对于快速判断重装备的中小跨度桥梁通过性，提供了有力的技术支撑。

［1］ 中国交通年鉴编辑部. 中国交通年鉴2010［M］. 北京:中国交通部，2010:12.

［2］ 刘锡鑫. 中小跨径混凝土梁式桥重装备通过性快速检测评估技术研究［D］. 天津:军事交通学院，2011:32-44.

［3］ 龚曙光，谢桂兰. ANSYS 操作命令与参数化编程［M］. 北京:机械工业出版社，2003:42-44.