128m连续钢箱梁仿真分析.docx
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1、128m连续钢箱梁仿真分析Simulation of a 128m Span Continuous Steel Box Girder 毕业论文成绩单学生姓名毕业论文题目128m连续钢箱梁仿真分析指导教师姓名指导教师职称评 定 成 绩指导教师得分评阅人得分答辩小组组长得分成绩:院长(主任) 签字:年 月 日毕业论文任务书题目 专 业承担指导任务单位工程力学系导师姓名符立勇导师职称讲 师一、论文内容二、基本要求 三、研究方向1 的构造设计详见工程实例;2 ;3 分析时考虑自重恒载、汽车荷载,并按规范进行组合验算。四、应收集的资料及参考文献(1)ANSYS土木工程应用实例 郝文化 中国水利水电出版社
2、 2005(2)ANSYS在土木工程中的应用 李 权 人民邮电出版社 2005(3)公路桥涵设计规范五、进度计划第6周第7周,根据题目要求,查阅相关资料,熟悉工程实例,完成外文文献翻译工作,并提交开题报告。第8周第10周,根据工程实例,确定仿真分析计算所需的技术参数,初步建立该有限元分析模型; 第11周第12周,该进行不同工况加载,第13周第4周,;第15周第6周,撰写和修改毕业设计论文;第7周,论文整理装订成册,答辩。教研室主任签字时间 2009 年3 月 22 日毕业论文开题报告题目128m连续钢箱梁仿真分析学生姓名一、本课题的研究背景设计以和平路跨铁路高架桥工程为原型,工程位于石家庄市北
3、面的原有和平路上,跨越京广铁路线,采用两跨钢结构连续钢箱梁,设计墩号为P84#86#,跨径布置为64.22+64.232m,桥梁总长度为128.452。桥梁结构设计为单箱多室钢箱梁,单箱顶宽为25.5m,底宽18.218.916m,支点处梁高3m,跨中梁高2.5m,板材选用Q345Qd,最大板厚为80mm。桥梁位于平曲线内,桥面横坡自单向坡3%变化至双向坡1.5%。二、国内外研究现状桥梁结构分析经历了从平面计算到空间计算、从线性计算到非线性计算、从静力计算到动力计算、从铰连接杆计算到刚性或半刚性连接梁计算、从局部模型计算到全桥模型计算的过渡。近20年来,随着计算机技术的进步,桥梁结构计算取得了
4、较大的发展。桥梁结构分析一般有常规桥梁结构计算和全桥结构仿真分析两种方法。三、论文进行的主要工作熟悉主要结构构件的形式和尺寸,确定主要技术参数,初步建立有限元模性;进行初步计算,对有限元模性进行修改完善;利用ANSYS分析软件对该连续钢箱梁桥进行仿真分析,得出各种工况下的受力情况,并进行基本的动力分析;完成毕业设计说明书的编写;完成规定的英文翻译。四、所采用的方法、手段通过和平路高架桥施工图纸,掌握各部分的形式和尺寸;利用ANSYS分析软件,进行建模,并进行静动力分析。五、预期达到的结果了解钢箱梁桥的施工方法,掌握钢箱梁桥的各部分组成以及施工工序。利用ANSYS分析软件计算得出各种工况下的各部
5、分受力情况,检验结构的安全性。通过基本动力分析,确定结构的动力特性。指导教师签字时 间 年 月 日摘要有限元法是分析复杂工程结构的一种非常有效的数值方法本文介绍了使用ANSYS有限元计算软件进行结构分析的方法,叙述了采用ANSYS进行连续钢箱梁结构分析的实施步骤。基于有限元分析软件ANSYS及工程实例,建立了钢箱梁主体结构(包括顶板、U型加劲肋、横隔板、中腹板和底板)的模型。根据连续钢箱梁的受力特性,考虑各部分的相互作用,采用有限元3-D板壳单元对空间连续箱粱的力学性能进行了分析,得出了在两种工况下钢箱梁的应力分布状况,为钢箱梁桥的优化设计提供了依据。通过计算表明,主梁跨中截面挠度较大,但并未
6、超出允许值,应力满足强度条件,整个钢箱梁安全可靠。关键字:连续钢箱梁 有限元分析 模型 AbstractFinite element method is a useful numerical method to analyze complex structures. This paper introduces an analysis method of structure by using ANSYS, and describes the analysis procedure of the continuous steel box girderBase on ANSYS and the eng
7、ineering example, the general model of the steel box structure (including top slaps,u-type stiffeners, diaphragms, webs and bottom slaps) is establishedAccording to the mechanical character of continuous steel box girder,and considering the interaction of each part,the paper analyzes the mechanical
8、properties of the continuous steel box girder by using 3-D shell elements,get the steel box girders stress distribution at two conditions, which provides some bases for the optimization design of the structure. The calculation shows that the deformation of the midspan is great, but it does not excee
9、d the allowable value. The stress is also satisfies the requirement of strength, the steel box girder is safe and reliable.Key words: continuous steel box girder finite element analysis model 目录第1章 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 国内外研究现状11.2.1常规桥梁结构计算11.2.2全桥结构仿真分析31.3 论文主要研究内容3第2章 钢箱梁背景介绍42.1 钢箱梁的钢材选择42.2 钢箱
10、梁主要设计参数的选择52.2.1桥面顶板的厚度52.2.2纵向加劲肋62.2.3横隔板设计62.3 抗风性能对箱梁设计的要求8第3章 钢箱梁模型建立93.1 工程概况93.2 ANSYS软件介绍103.2.1 ANSYS软件的基本介绍103.2.2 ANSYS桥梁结构工程应用133.3 主梁建模143.3.1模型说明143.3.2主梁建模过程143.4 有限元模型生成203.4.1各类常数设置203.4.2网格划分213.5 模型说明22第4章 数值计算及分析234.1 计算说明234.2 加载计算234.2.1添加约束234.2.2添加自重及车道荷载234.2.3自重下变形及应力244.2.
11、4自重+车道荷载下变形及应力274.3 模态分析30第5章 结论34参考文献35致 谢36附录A 英文资料37附录B 翻译50第1章 绪论1.1 课题研究的目的和意义钢箱梁由于采用高强材料,构件重量轻、强度高、运输安装简捷,是大跨桥梁的理想桥型。钢箱梁用于桥梁的结构形式主要优点有桥式整体性好,外形美观大方,行车和行走平稳,冲击性小,结构轻巧,跨越能力大,施工便捷,工程造价适中。随着交通工程建设和市政工程建设的发展,国内近年来越来越多地采用钢箱梁作为大跨桥梁的结构形式。本文利用大型有限元分析软件ANSYS对一大跨度箱形梁进行静态和动态特性分析,表明该箱形梁结构的刚度、强度和自振频率都满足设计指标
12、要求。利用ANSYS软件,使工程人员从经验出发完成的设计建立在精确的科学分析基础上,从而极大的提高了设计的可预见性、可靠性和合理性,为工程人员进一步改进和优化提供了参考。1.2 国内外研究现状桥梁结构分析经历了从平面计算到空间计算、从线性计算到非线性计算、从静力计算到动力计算、从铰连接杆计算到刚性或半刚性连接梁计算、从局部模型计算到全桥模型计算的过渡。近20年来,随着计算机技术的进步,桥梁结构计算取得了较大的发展。桥梁结构分析一般有常规桥梁结构计算和全桥结构仿真分析两种方法。1.2.1 常规桥梁结构计算以大跨斜拉桥结构计算为例,目前国内外较完善的方法通常按照不同层次分别进行计算。大跨斜拉桥结构
13、计算通常划分成3个不同层次:第1层次指全桥结构总体分析,即建立由索、梁、塔各主要关键构件组成的模型进行计算,它能代表全桥的主要结构行为;第2层次指在主要构件范围内的结构分析,例如梁段和塔柱段的计算分析,包括常见的梁结构的计算,考虑梁段应力和桥面作用效应(如铜箱梁的正交异性板桥面体系)在内;第3层次指复杂细节或局部构造的结构计算,如斜拉桥的索梁锚固构造计算、索塔锚固构造计算等。从以上简述斜拉桥比较复杂的结构分析计算中可见,现有计算方法已经能够考虑到桥梁结构的很多实质性问题,也使结构计算精度比以前提高了一大步,使桥梁结构计算达到较高水平,由此成为桥梁工程技术进步的标志之一。然而,在深入研究中发现,
14、即使是相对完善的结构计算方法,仍存在着如下问题。(1)点连接问题在桥梁计算模型中,代表多数构件的线单元之间的点连接(即通过节点)带来2个方面问题:点连接仅能从构件本身的刚度考虑连接的支撑和约束程度,而不能考虑到节点的真实构成,如节点板、隔板位置和孔洞等,尤其是节点板和拼接板对节点刚度的增强作用对全桥局部变形和应力计算均会带来较大误差,而且构件连接往往是整个结构成败的关键;点连接导致与桥梁构件宽度、高度方向相关的物理量产生的计算误差。(2)全桥构件问题包括纵向联结系、横向联结系和桥面系等在内的构件在全桥计算中通常考虑得不够充分。(3)局部构造问题局部构造带来计算失真的问题主要有:未能反映构件所包
15、含的结构性细部(如与箱梁和箱形杆件抗扭刚度密切相关的隔板);忽略构件在长度、高度或者宽度方向的非均匀性和非对称性因素。(4) 局部模型问题在第3层次局部构造的结构计算中,常常难以准确获得所取构造模型的边界条件(约束、变位或受力),容易使计算结果失真。(5) 二次效应问题诸如横截面畸变、局部屈曲和剪力滞后等二次效应对全桥总体分析计算的影响难以得到实质性的反映,例如在大跨、宽梁结构中梁在不同纵向位置的有效宽度计算误差问题。(6) 分步计算问题以大跨桥梁的正交异性板桥面钢箱梁结构计算为倒,常规分析方法需要按下列步骤分别进行:计算钢箱梁段在全桥体系中的轴力、竖向弯矩、横向弯矩、竖向剪力、横向剪力、竖向
16、荷载作用扭矩和横向荷载作用扭矩等;分别计算各梁段内轴力作用正应力、竖向荷载扭矩作用剪应力、横向荷载扭矩作用剪应力、畸变翘曲作用纵向正应力、竖向弯矩作用正应力、横向弯矩作用正应力、竖向剪力作用剪应力、横向剪力作用剪应力、畸变翘曲作用横向正应力和梁部日照温差作用纵向正应力;正交异性板桥面轮轴荷载作用纵向正应力及横向正应力等;必要时计算桥面顶板体系轮轴荷载作用的纵向正应力及横向正应力等;进行上述各项计算应力的合理叠加与组合。由此可见,计算过程比较复杂、繁琐。1.2.2 全桥结构仿真分析全桥结构仿真技术,可以针对各种条件和要求,构造各种结构体系桥梁或者各种体系的不同形式构件组成的桥梁,模拟相应的荷载工
17、况进行分析。全桥结构仿真分析所采用的结构模型必须是准确、详尽,它较传统的结构计算模型有实质性的提高和改善。在仿真建模中,结构数学模型的真实性表现为3个方面:(1)采用全桥空问结构模型,模型能够真实模拟结构及构件长、宽、高3个方向的实际尺寸,模型具备对结构性部件细节进行较真实模拟(2)模型边界的真实性表现为其边界条件真实地模拟结构的支承和约束情况;(3)模型加载的真实性表现为能够真实模拟实际荷载的数量、荷载在结构上的实际空间位置,包括轮轴荷载的大小和位置等。因此,全桥仿真分析的数学模型复杂、仿真分析计算的工作量巨大;但是分析结果的相对精确、可靠和详尽,能够克服常规结构计算存在的不足,甚至可以得到
18、常规结构计算、结构试验难以得到的结果 1。1.3 论文主要研究内容本文在学习和总结前人研究工作的基础上,围绕着和平路连续钢箱梁桥的模拟计算进行了较为深入的分析和计算研究。应用大型通用计算程序ANSYS,建立空间有限元计算模型,对该连续梁进行模拟计算,并简单估算以校正计算结果的正确性和合理性。归纳起来,主要有以下几方面内容:(1)对大跨度桥梁钢箱梁主要构件设计、选材需要考虑的主要因素进行了较详细的介绍。(2)介绍了大型通用计算程序ANSYS的基本功能以及应用ANSYS实现结构的动静力分析的方法,对应用ANSYS实现连续梁桥仿真分析所涉到的模型简化进行了一定的分析和探讨。(3)以和平路钢箱梁桥仿真
19、分析计算为背景,研究了应用ANSYS软件进行连续梁桥仿真分析的方法,同时简要介绍了应用ANSYS进行和平路钢箱梁桥建模的方法。(4)利用ANSYS分析软件,对该钢箱梁桥进行了系统分析,得出了各种工况下的受力情况,并给出了基本动力分析结果。第2章 钢箱梁背景介绍钢箱梁又叫钢板箱形梁,是工程中常采用的结构形式。一般用在跨度较大的桥梁上,外型象一个箱子故叫做钢箱梁。箱梁截面有单箱单室、单箱双室(或多室),早期为矩形箱,逐渐发展成斜腰板的梯形箱。 箱梁桥可以是变高度,也可以是等高度。从美观上看,有较大主孔和边孔的三跨箱梁桥,用变高度箱梁是较美观的;多跨桥(三跨以上)用等高箱梁具有较好的外观效果。国外早
20、期的大跨度桥梁多采用桁架式钢加劲梁,如美国的金门大桥(1937)。1966年英国建成了第一座采用流线形钢箱梁为主梁的悬索桥Seven桥。此后,钢箱梁逐渐在公路大跨度桥梁上取代了桁架式钢梁的地位。我国桥梁建设事业自20世纪末以来,进入了高速发展期,已经建成的几座大跨度悬索桥,从三峡西陵长江大桥开始,都采用了钢箱梁主梁。钢箱梁的优势在于:结构重量轻、抗风稳定性好、抗扭刚度高、施工和养护方便。以虎门大桥为例,在其工程可行性研究阶段,曾以跨径1200m 的悬索桥为模式,分别对采用桁架式和箱梁式加劲梁作了技术经济比较:桁架式梁高11m,上部结构用钢22207t;钢箱梁高4 m,上部结构用钢17274t。
21、所以,现代公路大跨度钢桥大都采用了钢箱梁。2.1 钢箱梁的钢材选择我国桥梁建设早期阶段,由于国产桥梁用钢材的开发速度较慢和质量的不稳定,部分桥梁采用了国外的钢材,如虎门大桥、汕头海湾桥都采用日本的SM490C。随着国产钢材质量的提高和产量的增加,近几年建造的大跨度公路桥梁,大都采用符合国家标准GB/T159-94的国产低合金高强度结构钢,如宜昌长江大桥、润杨长江大桥、舟山桃天门大桥等。钢箱梁钢材设计选用标准集中于3个方面:(1)强度的要求钢结构设计采用容许应力法,强度设计以控制截面应力不超过材料容许应力为原则。考虑到在钢箱梁加工制作及拼装过程中,会产生很多由于误差造成的附加应力及焊接参与应力,
22、这些应力是无法计算的,在施工安装中也会产生误差附加应力,这些应力虽能计算,却是不确定的。故在设计中,一般会采用较高的应力储备,以提高安全度。现阶段我国的公路钢箱梁桥采用强度级别主要是屈服点级,如Q345。少数铁路桥采用了级的15。采用国外钢材的强度级别均相当于Q345,如SM490C、Fe510D、STE355。(2)使用气候条件的要求钢材性能受温度影响较大,箱梁钢材牌号的选择应考虑到桥梁所在地气候条件对结构的影响。设计常用的低合金高强度结构钢,按冲击韧性进行质量分级,分为A、B、C、D、E等级别,各级别对应不同的冲击试验温度。国内公路桥梁钢箱粱采用的级别大部分集中在C、D和E,对应的试验温度
23、分别是是0、 20 和-40。对于南方地区,常年温度较高的情况下,选用Q345C已经满足使用要求 在北方寒冷地区,考虑到钢材在低温下的使用条件,宜使用Q345D,甚至是Q345E。 (3)加工制造的要求高强钢的焊接工艺复杂、参数控制严格。不同牌号的钢材其焊接性能有较大差别,即使同一牌号,不同等级的钢材,其可焊性也不尽相同。钢箱梁制造过程是大量的钢材焊接过程的集合体,焊缝检查要求极为严格。过于追求强度、硬度等指标而忽视可焊性,会造成不必要的浪费2。2.2 钢箱梁主要设计参数的选择2.2.1 桥面顶板的厚度钢箱梁顶、底板是箱形结构体主要抵抗弯矩的构件。尤其是顶板,直接承受车轮荷载。设计中主要考虑两
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