淺析有限元分析對城市橋梁建設的作用

1、淺析有限元分析對城市橋梁建設的作用 淺析有限元分析對城市橋梁建設的作用 摘要：隨著現(xiàn)代技術的開展，有限元分析方法已經成功運用到城市橋梁建設中，本文主要闡述通過有限元分析方法，得出橋梁建設中的重要參數(shù)，輔助橋梁設計，表達有限元方法為城市橋梁建設提供了理論根底和科學依據(jù)的重要作用。關鍵詞：有限元、城市橋梁建設、橋梁設計中圖分類號：K928.78 文獻標識碼：A 引言：現(xiàn)代社會的交通事業(yè)迅速開展，城市橋梁已在交通中發(fā)揮著非常重要的作用。為了合理設計橋梁，對橋梁進行物理實驗分析，既費時又不經濟，已經不是一種合理的方法。而隨著技術的開展，我們可以通過有限元分析的方法，對橋梁進行全面的分析，得到更為可靠的

2、數(shù)據(jù)，設計更為科學的橋梁，保證橋梁的平安可靠。 1.有限元分析在橋梁混凝土凝固過程中的作用。通過有限元分析，可以在鋼筋混凝土凝固過程，合理控制溫度和溫度應力，防止出現(xiàn)溫度裂縫，保證結構的整體性和耐久性。結構內溫度場發(fā)生變化時,假設受到外部約束或溫度場不均勻時,會產生一定的應力,稱為溫度應力。溫度應力的出現(xiàn)以及其危害，引起工程上的關注?；炷聊踢^程分為兩個階段。第一個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，內部溫度持續(xù)升高。當混凝土初凝時 ，內部混凝土升溫膨脹，體積變大，就會造成混凝土外表開裂。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，如果內外溫差較大，就會在混凝土中心形成拉應力乃至裂縫。通過有限元，建立分析模型，引入邊界條件，進行溫度場和應力場分析，收縮和徐應變分析，我們得出以下結論：水泥在水化過程中產生大量的熱量，這些熱量聚集在混凝土底板內部不易散失，隨著混凝土齡期的增長，實際混凝土內部的最高溫度多數(shù)發(fā)生在混凝土澆筑的三到五天。澆筑初期混凝土強度很低，溫度應力也較小，隨著時間的增長其強度相應提高，第七天左右開始出現(xiàn)高強度區(qū)域，而且分布的范圍最廣，第七天以后超高強度的區(qū)域逐漸減小且大局部分布在邊界應力集中的地區(qū)，施工時應主要控制第七天左右的溫度和熱應力變化，同時關注高強區(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部溫度高的直接原因；(3)施工中常通過參加添加劑來降低強度,但是效果并不是很理想，建議通過調整保溫層來控制高強區(qū)的應力； 利用這些參數(shù)與結論，有效地利用了高強度的鋼筋和混凝土，可以形成比普通混凝土跨度大而自重輕、截面小的承重結構物；可以改善鋼筋混凝土的使用性，可以承受相當大的的過載而不會引起永久性的破壞，進而得到更加穩(wěn)固的橋梁。2.有限元在橋梁承受動力載荷分析時的作用。 通過有限元，可以對橋梁結構進行動力分析，使橋梁結構更合理。橋梁的動力載荷分析是研究橋梁的自振特性和車輛載荷與橋梁結構的聯(lián)合振動特性。這些測試結果數(shù)據(jù)是判斷橋梁結構運營狀況和承載特性

5、的重要指標。當橋梁自振頻率處于某些范圍時,外荷載,包括行駛車輛、行人,地震、風載,海浪沖擊等都可能會引起橋共振,使得乘客和行人感覺不舒服,甚至振幅過大危及橋梁結構平安運營。利用結構的自振頻率與其剛度和質量有著確定的關系,在設計時就要防止引起橋跨結構共振的強迫振動振源,如風、地震、等車輛的頻率與橋跨自振頻率耦合。通過有限元軟件ANSYS建立有限元模型,由于結構的振動特性主要由結構的質量和剛度決定,故必須精確地模擬構件的剛度和質量。對于縱梁而言,梁單元的剛度即為縱梁本身的剛度,但梁單元的質量為橋面系的所有質量,除了縱梁本身的質量外,還包括了橫隔板、橋面鋪裝、欄桿、人行道、燈柱等,均以線密度的形式計

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,完全符合設計圖紙所給出的數(shù)據(jù).分別進行結構自振特性、自由振動特性、環(huán)境隨機振動特性的測試和橋梁橋梁抗震反響譜法的計算，經過綜合分析可得到精確而真實的共振頻率、抗震特性等數(shù)據(jù)，為橋梁建設提供可靠的理論依據(jù)。 3.有限元在橋梁結構穩(wěn)定分析時的作用。橋梁結構的穩(wěn)定問題是關系到其平安與經濟的主要問題之一，而且由于大跨度橋梁日益廣泛地采用高強度材料和薄壁結構，穩(wěn)定問題更顯得重要。 橋梁結構的失穩(wěn)現(xiàn)象可分為以下幾類：個別構件的失穩(wěn)；局部結構或整個結構的失穩(wěn)；構件的局部失穩(wěn)，而且局部的失穩(wěn)常常導致整個構建的失穩(wěn)。 當結構所受載荷到達某一數(shù)值時，假

7、設增加一微小變量，即稍有撓動，那么結構的平衡位置將發(fā)生很大的改變，這種情況叫做結構的失穩(wěn)或屈曲，相應的載荷稱為屈曲載荷或臨界載荷。穩(wěn)定性問題可分為兩類：平衡分支問題，即到達臨界載荷時，除結構原來的平衡狀態(tài)理論上仍然可能出現(xiàn)第二平衡狀態(tài)；結構保持一個平衡狀態(tài)。隨著載荷的增加在應力較大的區(qū)域出現(xiàn)塑性變形，結構的變形迅速增大，當載荷加到一定數(shù)值時，即使不再增加載荷，結構變形也會迅速增大而導致使結構破換，這個載荷實際上是結構的極限載荷，例如偏心受壓桿件，實際的結構問題都屬于第二類。 在線性穩(wěn)定條件下，利用有限元的方法，得出其結構靜力平衡方程為：(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作用時的位移，如果載荷不斷增加，那么結構位移不斷增大。由于KG與載荷有關，因而橋梁結構的位移與力不再是線性關系，結構呈現(xiàn)隨遇平衡狀態(tài)。而對于實際結構的設計或計算應該采用非線性屈曲分析。非線性屈曲分析是用一種逐漸增加載荷的非線性靜力分析技術來求得使結構開始變得不穩(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、大變形響應等特征。通過有限元軟件ANSYS,在大變形效應下，對橋梁進行的非線性屈曲分析是一種靜力分析。非線性分析主要有以下幾個步驟： 建立有限元模型； 特征屈曲分析； 求解；求解錢應施加初始缺陷，初始缺陷的大小將影響非線性屈曲分析的結果，在載荷-位移響應中

9、，初始缺陷將消除載荷-位移響應中的尖端不連續(xù)段，缺陷值與結構的整體尺寸關系不大。選擇的分析類型為靜力分析，因為非線性屈曲分析是一種將幾何非線性效應一直延續(xù)到結構到達極限載荷時的靜力分析。 查閱結果 查閱結構時，做出載荷位移曲線，因為它可以幫助確定導致求解發(fā)散的原因是物理不穩(wěn)定性，還是數(shù)值不穩(wěn)定性。應該注意以下問題：求解不收斂，不一定是載荷最大值；如果結構上的載荷完全在平面內，那么將不會產生導致屈曲所必須的面外變形，所進行的分析也得不到屈曲結果。而通過有限元分析所得到的這些理論依據(jù)，必將為我們設計出合理的橋梁提供可靠的保證。結束語：本文通過對橋梁混凝土凝固、橋梁承受動載荷以及橋梁失穩(wěn)三方面的分析，表現(xiàn)了有限元在橋梁建設中的重要作用，同時也在一定程度上展現(xiàn)了如何了如何運用有限元輔助橋梁建設，從而設計出平安可靠的橋梁。參考文獻 ： 【1】 邵紅艷、竺潤祥、任茶仙、結構溫度場和溫度應力場的有限元分析J 寧波大學學報 2003.16(1): 57-60【2】楊俊華、胡杰.大體積混凝土控制技術初探.仁淮海工學院學報2002.11:53-56 【3】朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制M北京中國電力出版社.1999 【4】李國豪 、石洞.公路橋梁荷載橫向分布計算 (第二版)M.人民交通出版社. 1987 【