盖梁加固实体模型计算分析|盖梁模板加固

　　摘要：为了精确对桥梁构件的计算，计算中时常需要采用实体模型进行分析。由于桥梁规范采用是的梁式的一维梁式结构内力为承载力要求，与实体模型计算结果以应力为主的结果不同。为了能满足规范内力，现以一加固实例的计算分析，采用积分的方式得出内力，比较实体模型计算结果与规范要求相符合。
　　关键词：三维有限元、实体模型、应力、Midas、预应力
　　1模型建立
　　在有限元法分析中单元可简单的分为杆件单元，面单元以及实体单元3大类。在本实例中由于盖梁下部为箱体桥墩，由于盖梁下部为箱体桥墩，且盖梁悬臂较短1m，而桥盖梁的宽度有3m，悬臂长度小于盖梁宽度，且盖梁悬臂较短，悬臂长度小于盖梁宽度，故在计算分析时一维梁单元、二维板单元的精确度较低，需建立三维实体单元模型进行分析。但在现行的桥梁预应力钢筋混凝土规范中并没有针对三维实体单元模型的规定，规范基于梁式结构分析为主。所以在此处的计算分析中仍然需要满足规范的承载力及抗裂验算要求。
　　1.1单元的选取
　　在桥梁规范中结构的应力分析以正截面的应力为分析对象，故在建立实体模型时，正应力的准确体现也是比较重要的。这个时候六面体单元的位移和应力结果均比较准确；锲形单元与三棱柱单元可以提供较为准确的位移结果，正应力结果的准确度相对于位移有所下降，所以锲形单元与三棱柱单元可以使得整体结构计算精确，但自身查看应力等参数结构有些误差。因此在需要较高精度的位置，建模时应尽量使用6面体单元。查看某一截面的正应力也相对直观。在需要调整六面体单元大小的部位，以及结构外形较为复杂部位，可以使用锲形单元与三棱柱单元进行过渡。
　　1.2单元的划分
　　从有限元计算的精度考虑，单元的尺寸越小越均匀，其收敛性能越好，精度也就越高。但由于单元越小，单元与节点的数量约多，对计算所需时间有较大的不同。所以选择单元大小直接影响到整个结构计算的效率以及结果的精度。在满足一定精度的情况下，可以适当加大单元大小来减少计算时间。在模型建立时注重几个主要受力点的单元划分，且下部桥墩箱形端部的圆弧形尽量划分的均匀。整体模型主要是以6面体单元进行建模，模型不同部位的连接过渡不突兀，连接段可以采用锲形单元或三棱柱单元进行过渡，不同阶段模型单元注意区分，以便之后进行不同施工阶段分析。
　　1.3荷载加载
　　荷载施加的前提条件是该单元支持与该荷载相关的自由度。例如，杆件单元和二维、三维单元仅支持移动自由度，因此这些单元不能施加集中力矩，只能施加集中力。然而实际上集中力通常是一个理想化和数学上的简化，他代表作用在一小块面积上的高强度的分布荷载。
　　根据梁、板和固体的经典线性弹性理论：在集中力法向力作用的点，梁中的位移和应力是有限的，板中的位移是有限的而应力是无限的，二维或三维实体中的位移和应力都是无限的。这些结果是由梁、板和弹性实体标准线弹性理论的应力场奇异假定造成的。真正的集中力会引起荷载作用下的材料屈服，而线弹性理论不能预计屈服。
　　在有限元分析中，当集中力作用在一个有限元模型的一个节点时，决不计算无限位移和应力。作用在平面应力或平面应变模型上的集中力有若干等价的分布荷载，这些等价的分布荷载预计不会产生无限位移或无限应力。仅当荷载附近的网络高度细化时才会接近无限位移和应力。而集中力附近的这些应力不是我们所要研究的。本实例的力均可以模拟成分布荷载，但荷载所作用的单元需要在单元分割时进行单独分割出，以便荷载输入便利。
　　荷载按几个施工工况进行计算分析，目前以及达到最大悬臂时的时候，受力以砂箱受力为主，待体系转换后改为有橡胶支座永久受力，均以单元面所承受均布荷载模拟。而预应力的模拟一般采用两种方式，模拟梁发与模拟荷载法。
　　模拟梁法是在预应力钢束穿过的节点，以实体单元节点为节点的建立连续的梁单元，且此梁单元为虚单元，不提供刚度及质量，此时梁单元不影响整体实体单元结构的总体刚度。在梁单元中输入预应力钢束，以软件自身计算预应力模拟预应力的施加。但此时由于本实例中采用了弯起钢束，所以拟合节点较为复杂，工作量较大。
　　模拟荷载法，将预应力视为荷载，自行添加在单元面上为压荷载，此时预应力的损失等需自行计算，且由于有弯起钢束，所以在弯曲处需要将指向圆心的合力分为水平与竖直的两个分力。由于预应力种类较少，所以此法较为方便。
　　预应力以荷载形式输入，在计算损失后直接以压力方式作用在单元上。直预应力钢束锚端采用W均载作用于端部单元，弯起预应力，在端部采用两个分力Wh、Ws作用在最边上单元，弯曲段分为W1与W2两个分力均载作用在弯曲段钢束穿过的单元。其中均布荷载可按公式计算。
　　2计算分析
　　2.1盖梁凹槽处横向正应力验算
　　取成桥运营阶段最不利荷载时盖梁计算结果进行分析，短期效应组合时横向正应力分布。可以看出横向最大拉应力出现在桥墩盖梁凹槽处上缘，其值为1.12MPa<0.7ftk=1.407MPa，满足预应力混凝土的A类构件应力要求。
　　2.2盖梁凹槽处横向正截面抗弯强度验算
　　取运营阶段最不利荷载的支反力作用下，盖梁原凹槽处正截面产生弯矩，在实体块单元模型中取出计算单元，计算单元总高为2m，总宽度为3m。
　　在上述单元中，对截面进行积分，可以得到基本组合下该计算截面形心处的弯矩值为：Mj=6059kN.m 。
　　2.3加固结果
　　经过施工过程中的监控以及成桥后的荷载试验，均体现出加固效果较为明显，可以满足桥梁通行要求。在此桥竣工通车后，要求管理单位对盖梁定期进行检查。
　　经过监控的分析，可以表明之前的模型的建立、计算及分析，均较为符合实际情况。桥梁上部结构支座的分配，以及横向预应力的影响分析，均通过监控证明是符合实际的。盖梁的预应力张拉起到了很好的加固作用也在监控应力中得到了体现，而竣工前的荷载试验以及竣工后的营运情况来看，此桥盖梁满足承载力的要求，也满足耐久性、安全性等要求。
　　3 结论
　　3.1实体模型的应用
　　在一些结构局部分析时，由于局部结构受力复杂，且有时不能简单利用规范中的梁柱等构件计算，常需要通过实体模型更为准确的模拟实际受力情况。此时的计算难度往往在如何模拟一个仿真模型上，一个有效而又准确的模型是受力分析的主要依据。
　　3.2预应力在实体模型中的加载
　　三维实体有限元分析中的荷载模拟的准确度决定了最终分析的精确度。而预应力采用荷载模拟的方式对于预应力种类较少的结构，是可以有效快速的建模。
　　3.3实体模型计算与规范
　　三维实体模型对结构重要部位进行分析。在现今计算软件的功能日益强大，三维实体模型的分析准确度及效率均在提高。而对于结果与桥梁规范中的梁结构进行对比时，可以采用应力状态进行分析，必要时可以积分成内力分析。这方面还需要更多的计算分析与实际状况的比较，才能更为准确的与现有桥梁规范相结合。
　　参考文献：
　　【1】张伟民、毛志鑫、陈衡治. 预应力混凝土箱梁结构三维实体有限元计算方法研究 [J].现代交通技术，2006.(4):29-33.
　　【2】梁柱、叶贵如. 桥梁三维实体有限元模型建立方法 [J]. 铁道标准设计，2005.(1):60-62.