有限元数值模拟技术在环形景观探桥设计中的应用

罗祥 张义 丁才高

摘 要：随着建筑业及信息化的不断发展，设计行业已更加趋向于高效化与科学化，电算辅助设计已被广泛地运用于建筑业，为设计提供安全保障。本文主要运用有限元数值模拟技术，对某环形景观探桥进行分析，研究复杂山区地形下的环形景观桥体风荷载作用机理、环形径向索的张拉控制，同时考虑温度作用、地震作用和人群荷载作用，提取桥体的稳定性应力比及变形挠度值，与成桥使用状态下应力应变监测结果进行对比。结果表明： 数值模拟结果与监测结果吻合较好，通过有限元数值模拟技术，能够较好地模拟山区桥体在风荷载、人群荷载、温度作用、地震作用下的受力形态，同时通过索的计算模拟数据指导现场张拉施工、提高施工作业效率，可以在保证桥体稳定性、下挠变形的同时，最大程度迎合市民探索美丽景观的需求。

关键词：数值模拟;风荷载;索张拉;温度作用;地震作用

1工程概况

探桥由伸向水域的直线型探桥和位于山谷里的倒鹅蛋形环桥构成，其位于AK 段AK2+240 和AK2+440 之间，属于新区马拉松山湖绿道（一期）工程EPC项目，其桥面组成：①环桥部分为一个长32 米、框23 米椭圆形的圆环，外圈为3.2米的钢格栅桥面，内圈为尼龙网状体系桥面;桥面距谷底约4米。②悬臂部分长度19.3米，桥面宽2.7米;③引桥部分由地面段和接桥段组成，长度共计700米，桥面宽2.0米和1.2米;④桥面材料为金属格栅网、尼龙网和混凝土;⑤栏杆为白色格网扶手栏杆和钢丝网。

2 模型受力分析

2.1有限元模型建立及网格划分

如图2 所示，采用midas civil 建立了简化的有限元分析模型，模型中梁柱均采用杆单元模拟，吊索采用索单元模拟。

荷载取值，板面附加恒载按照0.8kN/m2，呢绒恒载0.1kN/m2，活载按照4.6kN/m2，呢绒活荷载1.2kN/m2，栏杆荷载1kN/m。

2.2 结构自重

构件的自重由软件自动计算，其他荷载包括桥面上的网格板均由人工输入，其荷载工况如下：

2.3 人群荷载

按照《城市桥梁设计规范》计算后施加：

2.4 风荷载

根据《公路桥涵设计通用规范》4.3.8以及《公路桥梁抗风设计规范》JTG/TD60-01 4.3.1条在横桥向风作用下主梁单位长度上的横向静阵风荷载进行施加：

2.5 温度荷载

考虑温度作用：升温为+350C，降温为-200 C。

2.6 地震作用

2.7吊索的张拉模拟分析

2.8分析结果

结论：从梁的组合强度来看，主梁的强度最大值为128.9N/mm2， 小于规范规定的材料值335N/mm2，满足规范要求;悬挑梁的应力最大值为244.4N/mm2，也是低于规范规定的材料值335N/mm2，满足规范要求。

稳定性：由于吊索不存在失稳的问题，本分析主要关心主体结构失稳的失稳模态。

稳定系数为57.41，有很大的富余量，满足要求。

结论：从以上主体结构的失稳形式来看，均没有存在柱失稳的现象，且失稳临界系数都非常高。故有很大的富余量，满足要求。

3 结论

（1）通过模拟结果与监测结果的对比，可以看出运用有限元Midas Civil软件，能够较好地模拟山区桥体在风荷载、人群荷载、温度作用、地震作用下的受力形态，可以满足桥体的稳定性、下挠变形要求。

（2）采用有限元数值模拟技术对本项目环形景观桥体进行分析，得到了复杂山区地形下的环形景观桥体风荷载作用机理与考虑方法、各阶振动模态特征下的稳定系数。

（3）运用Midas Civil有限元软件可根据實际施工过程，对吊索的张拉进行模拟分析，得出成桥状态的索力和张拉完成时的索力，用来指导现场张拉施工，提高施工作业效率。

参考文献：

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