在橋梁工程中的應(yīng)用

1、Midas FEA在橋梁工程中的應(yīng)用資料制作日期：2008.10.13對應(yīng)軟件版本： FEA 1.0 隨著橋梁工程技術(shù)的發(fā)展，對于有限元分析得要求也越來越高端，諸如：遇到“寬橋、異型橋、錨固端等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)”、“橋有裂縫了還能不能用，若要加固需要怎樣加固？”等問題的時候，現(xiàn)有的三維桿系有限元軟件遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到計算需求。midas FEA是“目前唯一全部中文化的土木專用非線性及細(xì)部分析軟件”，它的幾何建模和網(wǎng)格劃分技術(shù)采用了在土木領(lǐng)域中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用的前后處理軟件midas FX+的核心技術(shù)，同時融入了MIDAS強(qiáng)大的線性、非線性分析內(nèi)核，并與荷蘭TNO DIANA公司進(jìn)行了技術(shù)合作，是一款

2、專門適用于土木領(lǐng)域的高端非線性分析和細(xì)部分析軟件。下面針對midas FEA在橋梁工程中的應(yīng)用進(jìn)行說明，并通過預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁橋例題詳細(xì)介紹midas FEA預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土裂縫模擬：1. Midas FEA在橋梁工程中的應(yīng)用(1) 詳細(xì)分析 錨固區(qū)域的設(shè)計 彎橋的翹曲應(yīng)力驗(yàn)算 受力復(fù)雜區(qū)域驗(yàn)算 多支座反力的準(zhǔn)確計算 橫向分析 全橋仿真（2） 特征值分析(自振周期、線性屈曲) 局部失穩(wěn) 詳細(xì)的扭轉(zhuǎn)模態(tài)（3） 時程分析(反應(yīng)譜分析、時程分析)整體式橋梁抗震時的整體聯(lián)動效果（4） 材料非線性/幾何非線性分析（5） 界面單元Ø 計算鋼混疊合梁的剪力釘數(shù)量Ø 模擬混凝土的離散裂

3、縫(彎曲裂縫)、膨脹裂縫（剪切裂縫Ø 計算鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)滑移Ø 計算鋼板加固方案中鋼板與混凝土的粘接特性Ø 模擬混凝土與混凝土之間冷縫（6） 鋼筋單元 Ø 桁架混凝土單元：完全耦合無相對位移Ø 桁架+界面+混凝土單元：完全耦合有相對位移Ø 鋼筋單元+母單元（嵌入式鋼筋）：不必耦合由實(shí)體節(jié)點(diǎn)應(yīng)變映射到鋼筋單元節(jié)點(diǎn)上，可考慮摩擦損失、鋼筋回縮損失、彈性變形損失、收縮和徐變損失。嵌入式鋼筋（7） 裂縫模型 Ø 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫分析(極限承載力計算)Ø 結(jié)構(gòu)的詳細(xì)分析 Ø 鋼束錨固區(qū)在使用狀態(tài)下的安全

4、性驗(yàn)算 Ø 模擬螺旋筋和箍筋的約束作用下或鋼管等約束作用下混凝土強(qiáng)度的提高 （8） 接觸分析 Ø 鋼梁的螺栓、鉚釘連接Ø 拱橋吊桿與銷拴的接觸Ø 主纜與鞍座的接觸生命周期損傷度（9） 疲勞分析 鋼橋的疲勞分析（10） 熱傳遞分析(火災(zāi)分析等) 澆注式瀝青鋪裝（11） 水化熱分析 Ø 高溫瀝青澆注分析Ø 地鐵火災(zāi)分析Ø 大體積混凝土裂縫分析（12） CFD分析 Ø 橋梁斷面快速優(yōu)化Ø 計算三分力系數(shù)Ø 橋梁抗風(fēng)穩(wěn)定性2. Midas FEA鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫例題Midas FEA作為一種非線性及細(xì)

5、部分析軟件，能夠準(zhǔn)確方便的模擬橋梁工程中經(jīng)常發(fā)生一種力學(xué)現(xiàn)象混凝土開裂。為了使大家更好地了解這一功能，下面通過一個預(yù)應(yīng)力箱梁橋開裂模型分析說明，midas FEA中裂縫模型使用流程以及特點(diǎn)。本例題橋梁是總長為250m的五跨連續(xù)箱梁橋，中跨跨中16m區(qū)段采用了實(shí)體單元建模，混凝土材料采用了總應(yīng)變裂縫(Total Strain Crack)模型，其中受壓裂縫模型采用了Thorenfeldt模型，受拉裂縫模型采用了Constant模型。考慮的荷載有自重、活載以及預(yù)應(yīng)力荷載，非線性分析時將對活荷載進(jìn)行荷載步分割，加載到破壞為止。主要操作過程簡圖（1） 材料定義混凝土總應(yīng)變裂縫模型和預(yù)應(yīng)力鋼筋A(yù)BCD混

6、凝土特性定義總應(yīng)變模型Ø 裂縫模型根據(jù)確定裂縫方向的方法，總應(yīng)變裂縫模型又分為固定裂縫模型(fixed crack model)和轉(zhuǎn)動裂縫模型(rotating crack model) 兩種。前者假設(shè)裂縫一旦出現(xiàn)其方向就不再發(fā)生變化，后者則是裂縫方向始終與主拉應(yīng)變方向垂直。Ø 剛度選擇計算剛度矩陣的方法，有切線剛度和割線剛度兩個選項。Ø 橫向裂縫效應(yīng)(Lateral Crack Effect)決定橫向裂縫對抗壓強(qiáng)度的影響，前面的不考慮選項表示不考慮，后面的選項表示考慮橫向裂縫對減小抗壓強(qiáng)度的影響。Ø 約束效應(yīng)(Confinement Effect)決定

7、混凝土橫向約束的影響，前面的不考慮選項表示不考慮橫向約束效應(yīng)，后面的選項表示考慮橫向約束對提高混凝土強(qiáng)度的影響。Ø 基本特性(Basic Properties)直接輸入表示用戶將自行輸入抗裂分析中需要的材料特性值，采用規(guī)范表示使用規(guī)范中推薦的材料特性值。midas FEA中提供CEB-FIP 1990規(guī)范。在總應(yīng)變裂縫模型中還可以定義受拉、受壓、受剪應(yīng)力函數(shù)，根據(jù)定義的函數(shù)不同，混凝土的受拉和受壓區(qū)域的形狀不同。受壓特性函數(shù)受壓狀態(tài)下，隨著各向同性應(yīng)力的加大，混凝土的強(qiáng)度和延性都將加大。通過合理定義受壓狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，可以反應(yīng)各向同性應(yīng)力的影響。受壓狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變基本函數(shù)用和

8、來表達(dá)，可以由用戶定義曲線也可以使用程序提供的函數(shù)。本例題采用程序提供的Thorenfeldt硬化模型。受拉特性函數(shù)以總應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的受拉模型有線彈性、理想破壞、脆性、線性軟化、指數(shù)軟化、Hordijk、折線型軟化以及用戶自定義本構(gòu)模型。以上模型可以分為基于斷裂能(Fracture energy)的軟化本構(gòu)模型和與斷裂能無直接關(guān)系的受拉本構(gòu)模型。本例題采用理想破壞(Constant)本構(gòu)模型。預(yù)應(yīng)力鋼筋與孔道壁之間的摩擦產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失錨具滑移產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失考慮預(yù)應(yīng)力損失的預(yù)應(yīng)力鋼筋特性定義（2） 網(wǎng)格劃分Ø 混凝土六面體網(wǎng)格和預(yù)應(yīng)力鋼筋網(wǎng)格不需要考慮協(xié)調(diào)性嵌入式鋼筋單元（非協(xié)調(diào)）（3

9、） 荷載邊界添加（4） 分析求解控制Ø 施工階段定義Ø 非線性分析控制材料非線性：因?yàn)楸纠}是做材料非線性分析，所以需要勾選“材料非線性”選項，如果預(yù)想會發(fā)生大變形的話需要勾選“幾何非線性”。迭代計算方法：非線性分析需要通過迭代計算才能得到收斂解，程序中提供了四種迭代計算的方法。初始剛度法(Initial Stiffness Method)當(dāng)采用其它迭代計算法計算有不穩(wěn)定傾向時可選擇此方法。優(yōu)點(diǎn)是容易得到穩(wěn)定的解，缺點(diǎn)是收斂速度較慢。修正的牛頓拉普森法(Modified Newton-Raphson Method)一般的牛頓拉普森法在每個位移步(incremental displacement)上都要計算新的切線模量和內(nèi)力，而修正方法則是省略了計算切線剛度的過程只計算內(nèi)力。與一般的牛頓拉普森方法相比，需要更多的迭代計算步驟，所以收斂速度較慢，但是在每個迭代計算步驟內(nèi)的計算時間較短。牛頓拉普森法(Newton-Raphson Method)在每個迭代計算步驟內(nèi)都要更新切線剛度，優(yōu)點(diǎn)是收斂速度快，即通過較少的步驟也可以達(dá)到收斂?；￠L法(Arc-Length Method)弧長法是將位移增量標(biāo)準(zhǔn)作為約束條件并同時