摘要：采用得到廣泛應用的ANSYS結構分析軟件，建立某連續梁拱橋成橋階段仿真分析模型，分析結構在二期鋪裝以及活載作用下穩定性問題以及結構整體受力狀況。計算結果表明，結構在成橋狀態穩定性滿足要求，應力與撓度在規范允許范圍之內，說明ANSYS在結構仿真分析計算中能得到良好的應用。
　　關鍵詞：ANSYS，連續梁拱橋，仿真分析，穩定性
　　仿真分析計算作為有限元分析的一種手段，憑借其在橋梁結構的設計計算中體現出的快速準確的特點，結合大量商用專業橋梁分析軟件應用到橋梁設計與施工監控中，為橋梁的優化設計與安全施工提供了極大的助力。本文應用ANSYS軟件建立某大跨連續梁拱橋的空間桿系模型，真實模擬結構的構造特性、邊界條件以及荷載狀況，分析驗證結構在成橋狀態下的受力狀況，為橋梁的安全運營提供理論依據。
　　1工程背景
　　某大跨連續梁拱橋為跨線橋，主橋橋式采用60+128+60m連續梁拱橋（見圖1所示），主橋平面位于直線上，線間距為4.0m，縱坡G=0‰。橋梁設計活載為中-活載，線路等級為雙線I級鐵路，設計時速為120km/h客貨共線，滿足雙層集裝箱列車開行條件。
　　
　　圖1：橋梁三維結構圖
　　主梁為預應力混凝土結構，采用單箱單室變高度箱型截面，跨中及邊支點處梁高3.2m，中支點處梁高6.5m。拱肋計算跨度l=128.0m，設計矢高f=25.6m，矢跨比為1/5，拱軸線采用二次拋物線。拱肋實際施工均采用施工拱軸線制作和拼裝；拱肋為鋼管砼結構，采用等高度啞鈴形截面，截面高度2.8m，拱肋弦桿及綴板內填充微膨脹混凝土。兩榀拱肋間共設置8道橫撐，橫撐均采用空間桁架撐，各橫撐鋼管內不填充混凝土。
　　吊桿順橋向間距8m設置，全橋共設14組雙吊桿，吊桿上端穿過拱肋，錨于拱肋上緣張拉底座，下端錨于吊點橫梁下緣固定底座。
　　2有限元仿真分析模型
　　全橋結構仿真分析的核心是摒棄長久以來以橋梁計算所采用的過多的人為假設。比如假設計算體系或計算平面的劃分與組合、假設構件的連接方式為鉸接或者剛接、假設計算模型的邊界條件以及將結構的加載形式做等效替換等。現行的全橋結構仿真分析克服上述這些假設所帶來的不足，建立完整、統一的全橋結構分析體系，在該體系下構造全橋所有構件的組合形式數學模型。該模型準確模擬構件的空間位置、尺寸、材料特性、連接形式、荷載作用、初始內力和初始變形等，運用限制變形—還原內力原理確立結構仿真分析的初始形態，在此基礎上進行大規模的全橋結構效應分析計算，由此得到相對詳盡、精細和可靠的分析結果。[1]仿真分析技術相對于以前的計算手段而已有著不言而喻的優勢：首先，全橋結構仿真分析采用統一結構分析體系的數學模型，無需如傳統計算方法一般先按照結構體系分層計算，然后疊加組合的方式，加快了計算的進程。；其次，能夠更為真實地模擬節點之間的連接形式，克服了傳統計算方法的單一的線單元連接方式；再次，能夠更為準確地模擬結構的加載形式；最后，則是能夠計算更為復雜的結構體系，提升了其應用范圍。
　　ANSYS軟件是融結構、熱、流體、電磁場、聲場和耦合場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。經過30多年的發展，ANSYS逐漸為全球工業界所廣泛接受。ANSYS用戶涵蓋了機械制造、航空航天、能源化工、交通運輸、土木建筑、水利、電子、地礦、生物醫學、教學科研等眾多領域，是這些領域進行設計技術交流的主要分析平臺。ANSYS軟件的開放式結構允許對它進行用戶化定制，從而為橋梁結構有限元分析提供了新的途徑，可以針對橋梁結構的實際問題對該軟件進行二次開發,使其分析功能得到擴充，更好地滿足橋梁結構分析要求[2]。其中，運用最為廣泛的APDL語言二次開發幾乎可以完成用戶的任意功能要求，因此在橋梁仿真分析中占有極為重要的地位。
　　本模型采用ANSYS建模，以ANSYS命令流格式，編寫建立連續梁拱橋有限元模型的數據文件,包括結構的節點信息、單元信息、材料信息、實常數信息、約束信息以及荷載信息。全橋共872個單元。主梁采用beam44單元，吊桿采用link10單元，拱肋采用beam189單元。吊桿上端節點與拱肋共節點，吊桿下端節點與主梁通過剛臂固結處理，同樣，拱肋拱腳處與主梁通過剛臂固結處理。主梁為采用C55混凝土，采用C40鋼筋混凝土,其材料常數取為E=3.55×104MPa,ρ=2.5×103kg/m3，μ=0.2；吊桿采用平行鋼絲束，材料常數取為E=1.9×105MPa,ρ=7.85×103kg/m3，μ=0.3。剛臂實常數取為E=3.55×104MPa，μ=0.2。計算結構在成橋狀態受力狀況，吊桿初拉力采用初應變的方式施加，二期鋪裝采用梁單元荷載施加，移動荷載根據《鐵路橋涵設計基本規范》換算成均布荷載和集中荷載進行施加[3]。
　　3結果分析
　　（1）結構穩定性分析
　　抽取計算結果中前5階屈曲模態，得到穩定系數如下表1所示。下圖為結構一階屈曲振型。分析計算結果，發現該拱橋主要以拱肋面外失穩為主，說明結構橫向剛度較小，這主要是其寬跨比較小導致的[4]。
　　
　　圖2結構一階屈曲圖
　　表1結構穩定系數
　　階數 1 2 3 4 5
　　穩定系數 4.22 4.26 5.90 6.63 7.52
　　對于拱橋的穩定系數，橋梁規范中并沒有明確的說明，根據《鐵路橋涵設計基本規范》規定，對變截面拱，其穩定系數不得小于4~5[3]，由上表可知，本橋穩定性滿足要求。
　　（2）結構內力位移分析
　　
　　圖3自重+二期鋪裝結構變形圖（單位：m）
　　在結構自重和二期鋪裝作用下，跨中位置處最大位移為91.7mm。
　　
　　圖4移動荷載結構變形圖(單位：m)
　　在活載作用下，結構最大位移為11.9mm。在活載作用下，結構下撓較小，說明主梁有較大的豎向剛度。
　　
　　圖5主梁應力云圖(單位：Pa)
　　
　　圖6拱肋應力云(單位：N•m)
　　
　　圖7吊桿應力云圖(單位：Pa)
　　在自重及二期鋪裝荷載作用下，主梁最大壓應力為11.8Mpa，小于C55混凝土的抗壓極限強度要求；由于拱肋采用188單元，無法分離鋼管拱肋與混凝土拱肋，所得到拱肋最大軸向壓應力為二者等效軸向壓應力14.5Mpa，吊桿最大拉應力為147Mpa，很明顯地，上述結果均滿足結構安全使用要求，具有比較大的安全度。另外，采用專業橋梁分析軟件Midas/Civil建立空間桿系模型進行驗證，得到，在在結構自重和二期鋪裝作用下，跨中位置處最大位移為100mm，在活載作用下，結構最大位移為14mm。主梁在自重和二期鋪裝作用下最大壓應力為15.7Mpa。兩者結果比較接近，反映了ANSYS模擬具有較強的可靠性。
　　4結論
　　通過計算分析發現，雖然結構穩定系數滿足規范要求，但應該注意拱肋的橫向剛度相對較弱的問題，必須著重監督拱肋與風撐的焊接質量，以保證橫向連接的安全與穩定。在自重和二期鋪裝荷載以及移動荷載作用下結構的應力和撓度均能滿足結構的健康運營，具有較好的安全度。由此說明，ANSYS能夠較好地模擬橋梁成橋狀態結構受力性能，取得了比較清晰可信的結果。
　　參考文獻：
　　[1]鄭凱鋒,唐繼舜.鐵路鋼橋的全橋結構仿真分析研究(J).鐵道學報,1999(1).
　　[2]衛星,強士中.利用ANSYS事先斜拉橋非線性分析(J).四川建筑科學研究,2003(4).
　　[3]中華人民共和國鐵道部。TB10002.1-2005.鐵路橋涵設計基本規范[S].
　　[4]周岑,鄭凱鋒,范立礎.大跨度石拱橋的全橋結構仿真分析(J).土木工程學報,2004(3).