Abaqus多尺度有限元模型在橋梁工程中的應用

1、    abaqus多尺度有限元模型在橋梁工程中的應用    冉孟廷 周婭摘 要：為解決大型橋梁工程中細部構件力學分析時，有限元建模工作量與計算精度相矛盾的問題，以某長江大橋為例，采用大型有限元計算軟件abaqus，建立多尺度有限元模型進行鋼混結合段受力分析，并與局部精細有限元模型和全橋精細有限元模型計算結果作對比，結果表明：多尺度有限元模型計算精度較高，能夠滿足工程應用要求，并能有效降低建模工作量，提高運算速度。關鍵詞：軟件技術；多尺度有限元模型；建模；計算精度；橋梁工程0 前言工程應用中，傳統(tǒng)力學分析以靜力學為主，并以力學方程的精確解析解為基礎。但隨

2、著計算對象在結構與材料上的復雜化，特別是在涉及到材料的粘彈塑性時，不僅計算量急劇增大，力學方程也更難以建立和求解，從而不得不簡化受力條件或作出近似假設，但其求解結果往往與實際受力有所偏差。為解決復雜構件和材料粘彈塑性的力學計算問題，采用離散化分析從而求取近似數(shù)值解的大型有限元軟件應運而生，目前工程中常用的有abaqus、adina、ansys和marc等。這些大型有限元軟件針對固體、流體、氣體、磁場、熱力場以及耦合計算對象，在結構分析、線性和非線性分析等領域各有所長。但對于復雜結構的大型橋梁，采用有限元分析軟件進行細部結構力學分析時，也面臨建模工作量和計算精度的矛盾：若離散單元劃分過密，不但建

3、模工作量過大，計算速度也會大大降低；若單元劃分過少，則計算精度又會大大降低，且不利于考察細部構件的受力特征。為解決這一問題，工程中常常采用簡化邊界約束條件的局部精細有限元模型進行分析，但其計算結果有可能與實際受力有所差異，但如果細部結構單元進行精細化處理，而橋梁其它部分采用稀疏網(wǎng)格進行劃分，這樣的多尺度有限元模型不僅兼顧了細部構件的計算精度問題，也大大降低了建模工作量，提高計算速度。本文以某長江大橋鋼混結合段為例，采用大型有限元分析軟件abaqus，建立局部精細有限元模型、全橋精細有限元模型和多尺度有限元模型，進行計算精度分析，介紹多尺度有限元分析模型的應用過程。1工程概況某長江大橋為雙向六車

4、道高速公路特大橋，主跨為半漂浮體系的7跨連續(xù)雙塔混合梁斜拉橋，橋跨布置為64+2×68+608+2×68+64=1008m。邊跨采用混凝土箱梁，中跨采用鋼箱梁，鋼箱梁段索距為15.5m，混凝土梁段索距為10m和8m，塔上豎向標準索距為2.5m。索塔采用c50混凝土，塔高分別為196.7m和206.4m，索塔基礎采用24根直徑2.5m的鉆孔灌注樁。大橋整體布置如圖1所示，鋼混結合段細部尺寸如圖2所示。2 有限元建模與單元劃分2.1 局部精細有限元模型根據(jù)該橋設計參數(shù)，建立局部精細有限元模型，其中鋼結構采用s4r殼單元模擬，混凝土結構采用實體單元c3d8r模擬，斜拉索采用桁架單

5、元t3d2模擬。鋼結構部分網(wǎng)格劃分較密，尺寸為200×200mm；與鋼結構連接的混凝土結構部分網(wǎng)格劃分尺寸保持與鋼結構一致，為200×200×200mm，其他部分為600×600×600mm。模型共計包括55835個殼單元，14690個實體單元以及2個桁架單元。邊界條件為：約束混凝土結構部分截斷界面的全部6個方向自由度，在鋼結構部分的截斷界面處對模型施加作用力；約束斜拉索頂部的平動自由度，并采用降溫法對斜拉索施加張拉力。2.2 全橋精細有限元模型采用的單元類型和局部精細有限元模型相同。為控制單元數(shù)量，結合段局部單元尺寸為200×200

6、mm，其他部分為800×800mm；與鋼結構連接的混凝土結構部分網(wǎng)格劃分尺寸為200×200×200mm，其他部分為800×800×800mm。全橋精細有限元模型共計包括259130個殼單元，34160個實體單元及76個桁架單元。邊界條件為：采用大橋的實際位移約束條件，約束斜拉索頂部全部平動自由度，施加主梁在橋塔、輔助墩處的豎向及側向位移約束。斜拉索底端與主梁對應吊點處通過coupling連接，其張拉力通過降溫法施加，各索初始張拉力數(shù)值通過整橋桿系midas civil模型獲得。2.3 多尺度有限元模型包括精細模型部分以及桿系模型部分，后者參考

7、整橋桿系midas civil模型建立，主要包括斜拉索與主梁。因為模型分析中不考慮橋塔、橋墩沉降產(chǎn)生的影響，所以幾何模型中不直接建立橋塔和橋墩，而將其作為邊界條件分別施加給斜拉索與主梁。所采用單元與局部精細有限元模型和全橋精細有限元模型相同，但采用梁單元b31模擬主梁。精細模型部分網(wǎng)格尺寸與局部精細模型完全一致；桿系模型部分中，主梁的劃分尺寸為600mm，由于斜拉索部分傳力明確且不考慮拉索的幾何非線性，故使用單個桁架單元模擬一根斜拉索。多尺度有限元模型共計包括55835個殼單元，14690個實體單元，794個梁單元及76個桁架單元。多尺度有限元模型邊界條件與全橋精細有限元模型相同。使用降溫法模

8、擬各根斜拉索的初張拉力，施加自重荷載作用。3 計算參數(shù)與計算結果計算時，各有限元模型中主要材料參數(shù)相同，即：鋼材：彈性模量es=2.06×105mpa，泊松比=0.3；混凝土：彈性模量es=3.55×104mpa，泊松比=0.2；斜拉索：彈性模量ep=1.95×105mpa。鋼混結合段的受力計算結果如圖9 圖11所示。鋼混結合段應力計算結果表明，多尺度有限元模型在斜拉索吊點位置有明顯的應力集中現(xiàn)象，全橋精細模型中也出現(xiàn)類似的分布現(xiàn)象，但在局部精細模型中并未出現(xiàn)；另外，局部精細有限元模型在截斷界面得到的應力水平相對較低，低于多尺度有限元模型計算結果，而全橋精細有限元

9、模型的分析結果與多尺度有限元模型基本一致，從而驗證了多尺度有限元模型分析結果的合理性。4結語本文以某長江大橋鋼混結合段為例，采用大型有限元計算軟件abaqus，通過建立局部精細有限元模型、全橋精細有限元模型和多尺度有限元模型，研究力學計算精度的差別和多尺度有限元模型的可行性，成功地解決了工程應用技術中的棘手問題，得出以下結論：（1）多尺度有限元模型計算結果和精細有限元模型相近，其精度能夠滿足工程應用要求；（2）多尺度有限元模型能夠有效降低建模工作量，提高運算速度；（3）受邊界條件的影響，局部精細有限元模型計算精度遠低于多尺度有限元模型；（4）合理選擇現(xiàn)代信息化處理技術，能夠為工程技術人員解決工程技術中的棘手問題帶來事半功倍的效果。參考文獻1龔謙.通用有限元分析軟件abaqus在橋梁分析中的應用j.城市建設理論研究：電子版，2012（21）2許麗嬌，葉平，葉惺.淺談大型有限元分析軟件ansysj.煤礦機械，2005（4）：4951.3趙培仲，胡芳友，黃旭仁等.有限元分析軟件在