浅析有限元分析对城市桥梁建设的作用

浅析有限元分析对城市桥梁建设的作用

作者：王瑞锋王慧敏

来源：《城市建设理论研究》2013年第35期

摘要：随着现代技术的发展，有限元分析方法已经成功运用到城市桥梁建设中，本文主要阐述通过有限元分析方法，得出桥梁建设中的重要参数，辅助桥梁设计，体现有限元方法为城市桥梁建设提供了理论基础和科学依据的重要作用。关键词：有限元、城市桥梁建设、桥梁设计中图分类号：K928.78 文献标识码：A

引言：现代社会的交通事业迅速发展，城市桥梁已在交通中发挥着非常重要的作用。为了合理设计桥梁，对桥梁进行物理实验分析，既费时又不经济，已经不是一种合理的方法。而随着技术的发展，我们可以通过有限元分析的方法，对桥梁进行全面的分析，得到更为可靠的数据，设计更为科学的桥梁，保证桥梁的安全可靠。

1.有限元分析在桥梁混凝土凝固过程中的作用。通过有限元分析，可以在钢筋混凝土凝固过程，合理控制温度和温度应力，防止出现温度裂缝，保证结构的整体性和耐久性。结构内温度场发生变化时,若受到外部约束或温度场不均匀时,会产生一定的应力,称为温度应力。温度应力的出现以及其危害，引起工程上的关注。混凝土凝固过程分为两个阶段。第一个阶段是水泥在凝固和硬化期放出大量的热，混凝土处于迅速升温阶段，如果混凝土外表温度较低，内部温度持续升高。当混凝土初凝时，内部混凝土升温膨胀，体积变大，就会造成混凝土表面开裂。第二阶段是硬化后期降温，随着核心混凝土温度的降低，体积逐渐变小，如果内外温差较大，就会在混凝土中心形成拉应力乃至裂缝。通过有限元，建立分析模型，引入边界条件，进行温度场和应力场分析，收缩和徐应变分析，我们得出以下结论：（1）水泥在水化过程中产生大量的热量，这些热量聚集在混凝土底板内部不易散失，随着混凝土龄期的增长，实际混凝土内部的最高温度多数发生在混凝土浇筑的三到五天。浇筑初期混凝土强度很低，温度应力也较小，随着时间的增长其强度相应提高，第七天左右开始出现高强度区域，而且分布的范围最广，第七天以后超高强度的区域逐渐减小且大部分分布在边界应力集中的地区，施工时应主要控制第七天左右的温度和热应力变化，同时关注高强区分布范围的变化；

(2)混凝土受外界气温及浇筑温度的影响较明显，高温施工是造成混凝土内部温度高的直接原因；(3)施工中常通过加入添加剂来降低强度,但是效果并不是很理想，建议通过调整保温层来控制高强区的应力；

利用这些参数与结论，有效地利用了高强度的钢筋和混凝土，可以形成比普通混凝土跨度大而自重轻、截面小的承重结构物；可以改善钢筋混凝土的使用性，可以承受相当大的的过载而不会引起永久性的破坏，进而得到更加稳固的桥梁。2.有限元在桥梁承受动力载荷分析时的作用。

通过有限元，可以对桥梁结构进行动力分析，使桥梁结构更合理。桥梁的动力载荷分析是研究桥梁的自振特性和车辆载荷与桥梁结构的联合振动特性。这些测试结果数据是判断桥梁结构运营状况和承载特性的重要指标。当桥梁自振频率处于某些范围时,外荷载,包括行驶车辆、行人,地震、风载,海浪冲击等都可能会引起桥共振,使得乘客和行人感觉不舒服,甚至振幅过大危及桥梁结构安全运营。利用结构的自振频率与其刚度和质量有着确定的关系,在设计时就要避免引起桥跨结构共振的强迫振动振源,如风、地震、等车辆的频率与桥跨自振频率耦合。通过有限元软件ANSYS建立有限元模型,由于结构的振动特性主要由结构的质量和刚度决定,故必须精确地模拟构件的刚度和质量。对于纵梁而言,梁单元的刚度即为纵梁本身的刚度,但梁单元的质量为桥面系的所有质量,除了纵梁本身的质量外,还包括了横隔板、桥面铺装、栏杆、人行道、灯柱等,均以线密度的形式计入。主梁与桥墩自由度主从,考虑到淤泥较厚,墩底与地面弹性固结,完全符合设计图纸所给出的数据.分别进行结构自振特性、自由振动特性、环境随机振动特性的测试和桥梁桥梁抗震反应谱法的计算，经过综合分析可得到精确而真实的共振频率、抗震特性等数据，为桥梁建设提供可靠的理论依据。 3.有限元在桥梁结构稳定分析时的作用。桥梁结构的稳定问题是关系到其安全与经济的主要问题之一，而且由于大跨度桥梁日益广泛地采用高强度材料和薄壁结构，稳定问题更显得重要。

桥梁结构的失稳现象可分为以下几类：（1）个别构件的失稳；（2）部分结构或整个结构的失稳；（3）构件的局部失稳，而且局部的失稳常常导致整个构建的失稳。当结构所受载荷达到某一数值时，若增加一微小变量，即稍有挠动，则结构的平衡位置将发生很大的改变，这种情况叫做结构的失稳或屈曲，相应的载荷称为屈曲载荷或临界载荷。稳定性问题可分为两类：（1）平衡分支问题，即达到临界载荷时，除结构原来的平衡状态理论上仍然可能出现第二平衡状态；（2）结构保持一个平衡状态。随着载荷的增加在应力较大的区域出现塑性变形，结构的变形迅速增大，当载荷加到一定数值时，即使不再增加载荷，结构变形也会迅速增大而导致使结构破换，这个载荷实际上是结构的极限载荷，例如偏心受压杆件，实际的结构问题都属于第二类。

在线性稳定条件下，利用有限元的方法，得出其结构静力平衡方程为：

([KD]+[KG]){δ}={F}[KD]为弹性刚度矩阵，[KG]为几何刚度矩阵，由此可以求得在载荷{F}作用时的位移δ，如果载荷不断增加，则结构位移不断增大。由于[KG]与载荷有关，因而桥梁结构的位移与力不再是线性关系，结构呈现随遇平衡状态。而对于实际结构的设计或计算应该采用非线性屈曲分析。非线性屈曲分析是用一种逐渐增加载荷的非线性静力分析技术来求得使结构开始变得不稳定的临界载荷的分析方法，分析中可以包括如初始缺陷、塑性、间隙、大变形响应等特征。通过有限元软件ANSYS,在大变形效应下，对桥梁进行的非线性屈曲分析是一种静力分析。非线性分析主要有以下几个步骤：

（1）建立有限元模型；（2）特征屈曲分析；（3）求解；求解钱应施加初始缺陷，初始缺陷的大小将影响非线性屈曲分析的结果，在载荷-位移响应中，初始缺陷将消除载荷-位移响应中的尖端不连续段，缺陷值与结构的整体尺寸关系不大。选择的分析类型为静力分析，因为非线性屈曲分析是一种将几何非线性效应一直延续到结构达到极限载荷时的静力分析。（4）查阅结果