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桥梁三维实体有限元模型建立方法梁柱;叶贵如【摘要】提出桥梁三维实体有限元模型的建立方法和基本流程,并编制与之相应的前处理程序.生成模型的步骤包括:横截面定义、平面设计、立面设计、单元生成.最后以一个单箱双室弯梁桥为例说明了模型的建立过程.采用的方法,使得桥梁三维实体有限元模型建立变得方便和容易.【期刊名称】《铁道标准设计》【年(卷),期】2005(000)001【总页数】3页(P60-62)【关键词】桥梁实体模型;截面;腹板;平面;立面【作者】梁柱;叶贵如【作者单位】浙江大学土木系,杭州,310027;浙江大学土木系,杭州,310027【正文语种】中文【中图分类】U442.51 概述随着计算机技术的发展，有限元方法在桥梁计算分析方面的应用已日臻成熟，但是现存的桥梁专用软件大多采用的是平面梁单元或空间梁单元，前者如桥梁博士、GQJS等，后者如韩国的MIDAS。
但是如果要对桥梁进行比较精确的模拟和计算，需要采用三维实体单元，而对于现有的有限元通用程序如ANSYS、SAP、ABAQUS等，由于缺乏专业性，建模比较繁复，而且鉴于桥梁截面的复杂性，单元的网格划分较难控制。
因此，开发了针对桥梁的前处理软件程序[1](图1)。
程序生成的结果文件直接导入到ANSYS中，以ANSYS为平台自动生成桥梁的三维8节点实体单元模型[2]。
本文采用的方法使得桥梁有限元模型建立变得方便和容易。
图1 桥梁三维模型前处理软件2 模型建立过程2.1 桥梁横断面定义程序提供了3种典型的桥梁截面形状：实心截面、空心板梁截面和箱形截面，本文仅给出较为重要的箱形截面(图2)的建模方法。
图2 箱梁横断面定义如图2所示，将箱形截面按腹板分割为3块，分别为边腹板、次边腹板和中腹板，对于不同室的情况，3种腹板的取值各不相同。
例如，单室箱仅存在两个边腹板；双室为两个边腹板和一个次边腹板；三室为两个边腹板、两个次边腹板；四室为两个边腹板、两个次边腹板再加一个中腹板，此后依次类推。
Integrated Solution System for Bridge and Civil Strucutres目录一、剪力-柔性梁格理论1. 纵梁抗弯刚度.......................................................................32.横梁抗弯刚度....................................................................... 43.纵梁、横梁抗弯刚度........................................................... 44.虚拟边构件及横向构件刚度.. (5)三、采用梁格建模助手生成梁格模型二、单梁、梁格模型多支座反力与实体模型结果比较1. 前言.......................................................................................72. 结构概况...............................................................................73. 梁格法建模助手建模过程及功能亮点...............................114. 修改梁格..............................................................................225. 在自重、偏载作用下与FEA 实体模型结果比较. (24)四、结合规范进行PSC 设计1.纵梁抗弯刚度【强制移轴（上部结构中性轴）法】一、剪力-柔性梁格理论a.各纵梁中性轴与上部结构中性轴基本重合b.强制移轴，使各纵梁中性轴与上部结构中性轴基本重合，等效纵梁抗弯刚度2.横向梁格抗弯刚度3.纵梁、横梁抗扭刚度4.虚拟边构件及横向构件刚度此处d’为顶板厚度。
桥梁博士斜拉桥建模实例我们拟定建立以下模型，见下图：参数说明：桥面长度L1=100M，分100个桥面单元，每单元长度1M，桥塔长度L2=50M，分50个竖直单元，每单元长度1M，拉索单元共48个单元，左右对称，拉索桥面锚固端间隔为2 M，桥塔锚固端间隔为1M。
下面介绍具体建立模型的步骤：步骤一，建立桥面单元。
用快速编译器编辑1-100个桥面单元（具体过程略），参见下图：（注：在实际操作中桥面的截面形状可以自己拟定）步骤二：建立桥塔单元。
用快速编译器编辑101-150个桥塔单元（具体过程略），参见下图：（注：在实际操作中桥面的截面形状可以自己拟定，在分段方向的单选框内，一定要选择“竖直”，起点x=49，y=-20，终点x=49，y=30是定义桥塔的位置，这里我把它设在桥面中部，桥面下20米处，因为我做的桥塔截面为2m×2m的空心矩形，所以此处起点和终点x填49，请读者自己理解）步骤三：拉索的建立。
A、先编辑桥塔左边部分24跟拉索单元。
点击快速编译器的“拉索”按钮，在拉索对话框内的编辑内容复选框选择编辑节点号勾上，编辑单元号：151-174，左节点号：1-48/2；右节点号：152-129；（注意：左节点1-48/2代表拉索在桥面的锚固点间距为2M），如下图：在快速编译器中选择“单元”按钮，在“单元”对话框内的复选框内把“截取坐标”勾上，编辑单元号：151-174，然后确定。
如下图：B、建立桥面右半部分的24跟拉索。
在快速编译器中选择“对称”按钮，在“对称”对话框中的编辑内容4个复选框都勾上。
模板单元组：151-174；生成单元组：198-175；左节点号：55-101/2；右节点号：129-152；对称轴x=50，然后确定。
见下图：这样，我们就建好了拉索单元的模型。
现在让我们来看一看整个模型的三维效果图：。
目录概要1桥梁基本数据/ 2荷载/ 2设定建模环境/ 3定义材料和截面的特性值/ 4成桥阶段分析6结构建模/ 7生成二维模型/ 8建立索塔模型/ 10建立三维模型/ 13建立主梁横向系梁/ 15建立索塔横梁/ 17生成索塔上的主梁支座/ 19生成桥墩上的主梁支座/ 23输入边界条件/ 25计算拉索初拉力/ 28输入荷载条件/ 29输入荷载/ 30运行结构分析/ 33建立荷载组合/ 34计算未知荷载系数/ 35查看成桥阶段分析结果39查看变形形状/ 39施工阶段分析40施工阶段分类/ 41逆施工阶段分类/ 42逆施工阶段分析/ 42输入拉索初拉力/ 45定义施工阶段/ 49定义结构群/ 50指定边界群/ 53指定荷载群/ 56建立施工阶段/ 59输入施工阶段分析数据/ 61运行结构分析/ 61查看施工阶段分析结果62查看变形形状/ 62查看弯矩/ 63查看轴力/ 64施工阶段分析变化图形/ 65概要斜拉桥将拉索和主梁有机地结合在一起，不仅桥型美观，而且根据所选的索塔型式以及拉索的布置能形成多种多样的结构形态，易与周边环境融合，是符合环境设计理念的桥梁形式之一。
斜拉桥对设计和施工技术的要求非常严格，斜拉桥的结构分析与设计与其它桥梁形式有很大不同，设计人员需具有较深厚的理论基础和较丰富的设计经验。
在斜拉桥设计中，不仅要对恒荷载和活荷载做静力分析，而且必须做特征值分析、移动荷载分析、地震分析和风荷载分析。
为了决定各施工阶段中设置拉索时的张力，首先要决定在成桥阶段自重作用下的初始平衡状态，然后按顺序做施工阶段分析。
在本例题中将介绍建立斜拉桥分析模型的方法、计算拉索初拉力的方法、施工阶段分析的步骤以及查看分析结果的方法。
本例题中的桥梁模型如图1所示为三跨连续斜拉桥，中间跨径为220m、边跨跨径为100m。
图1 斜拉桥分析模型桥梁基本数据为了说明斜拉桥分析的步骤，本例题桥梁采用了比较简单的分析模型，可能与实际桥梁设计内容有所不同。
简支T梁施工过程之一——主梁的浇筑
T梁内部设置普通钢筋，形成钢筋骨架，完成部分构造功能。
梁内部设置普通钢筋，形成钢筋骨架，完成部分构造功能。
在T梁两端，为适应内部预应力束的抬高，要将马蹄抬高。
在T梁两端，为适应内部预应力束的抬高，要将马蹄抬高。
后张法预应力T梁施工，在主梁浇筑完毕，穿束完成后，要进行预应力张拉。
所以要在张拉端设置锚头构件预留张拉位置。
锚头可设置在梁端、梁顶等位置。
后张法预应力T梁施工，在主梁浇筑完毕，穿束完成后，要进行预应力张拉。
所以要在张拉端设置锚头构件预留张拉位置。
锚头可设置在梁端、梁顶等位置。
后张法预应力T梁施工，在主梁浇筑完毕，穿束完成后，要进行预应力张拉。
所以要在张拉端设置锚头构件预留张拉位置。
锚头可设置在梁端、梁顶等位置。
多数T梁在梁内部设置通长的预应力钢束。
由于梁的两端剪力较大，所以要将预应力钢束在两端抬起。
这和钢筋混凝土梁很相似。
由于梁的两端剪力较大，所以要将预应力钢束在两端抬起。
这和钢筋混凝土梁很相似。
预应力钢束要套波纹管，在锚头处要加锚垫板，以克服由于局部受力所引起的应力集中。
预应力钢束要套波纹管，在锚头处要加锚垫板，以克服由于局部受力所引起的应力集中。
T梁施工过程之二——穿束
简支T梁施工过程之二——穿束
预应力筋穿入孔道的方法有先穿束法和后穿束法两种。
先穿束法即在浇注混凝土之前穿束。
这种穿束法较省力，但束端保护不当易生锈。
后穿束法即在混凝土浇筑之后穿束。
穿束可在混凝土养护期内进行，不占工期，便于用通孔器或高压水通孔，穿束后及时张拉，易于防锈，但穿束较为费力。
后穿束法可用人工穿束、卷扬机穿束和穿束机穿束。
穿束前应全面检查孔道是否完整无缺
T梁施工过程之二——穿束
T梁施工过程之二——穿束
精选文库T梁施工过程之二——穿束
T梁施工过程之二——穿束
T梁施工过程之二——穿束
T梁施工过程之二——穿束
T梁施工过程之二——穿束
T梁施工过程之二——穿束
T梁施工过程之三——张拉
预应力T梁一般采用后张法（先浇筑混凝土，后张拉预应力钢筋）。
后张法是利用构件自身作为加力台座进行预应力筋的张拉，并用锚夹具将张拉完毕的预应力筋锚固在构件的两端，再在预应力筋的管道内压入水泥浆，使预应力筋与混凝土粘结成整体。
后张法主要是靠锚夹具来传递和保持预加应力的。
预应力筋张拉时的混凝土强度直接影响构件的安全度、锚固区的局部承压、徐变引起的损失等，是施加预应力成败的关键。
施加预应力的方法很多，除常用的一端张拉、两端张拉、对称张拉、超张拉等以外，还有分批张拉、分段张拉、分阶段张拉、补偿张拉等。
T梁施工过程之三——张拉
T梁施工过程之三——张拉
T梁施工过程之三——张拉
T梁施工过程之三——张拉
预应力筋张拉时的混凝土强度直接影响构件的安全度、锚固区的局部承压、徐变引起的损失等，是施加预应力成败的关键。
施加预应力的方法很多，除常用的一端张拉、两端张拉、对称张拉、超张拉等以外，还有分批张拉、分段张拉、分阶段张拉、补偿张拉等。
T梁施工过程之三——张拉
T梁施工过程之四——截断
由于预应力筋要设置工作区而预留长度（70cm），在预应力筋张拉后钢筋又被拉长，从而在端部产生多余的钢筋长度为。
便于封锚，必须将这部分截断。
以下为截断后的T梁：
T梁施工过程之四——截断
T梁施工过程之四——截断
T梁施工过程之四——截断
T梁施工过程之五——封堵
钢筋张拉完成后即可进行孔道灌浆。
孔道灌浆用的水泥标号不应低于425号普通硅酸盐水泥。
灌浆后，应用人工再从泌水管内徐徐补入水泥浆，并用细铁丝不断插捣，直至密实。
对于埋置在梁体内的锚具，在预加应力完毕后，应先在其周围设置钢筋网，然后浇筑混凝土。
混凝土的标号不宜低于构件本身标号的80%，亦不宜低于构件本身标号的80%，亦不低于30号。
T梁施工过程之五——封堵
T梁施工过程之五——封堵
精选文库
T梁施工过程之五——封堵
T梁施工过程之五——封堵
精选文库T梁施工过程之五——封堵
T梁施工过程之五——封堵
T梁施工过程之五——封堵
精选文库
梁施工过程之六——成型
以下即为成桥后的预应力简支T梁的外部和内部构造图。
从图中可以看出，它的特点是外形简单，制造方便，横向藉横隔梁联结，整体性也较好。
从受力来看，对钢筋混凝土结构而言，T形截面顶板宽翼缘受压，下部开裂后不参与工作，只要能有布置钢筋的足够面积即可，有利于承受正弯矩。
在承受负弯矩时，顶上翼缘处于受拉区，而肋部处于受压区，要提高抗负弯矩的能力，必须加大底部成马蹄形。
显然，T形截面在钢筋混凝土结构中，T形截面重心位置偏上，核心距虽较大，但因上核心离顶面距离远远小于下核心离底面的距离。
它标志承受正弯矩能力的力臂距远远大于承受负弯矩的力臂矩。
所以，它也是有利于承受正弯矩。
总之，无论是钢筋混凝土或预应力混凝土结构，T形截面有利于承受单向弯矩（正弯矩），不利于承受双向弯矩（正、负弯矩）。
因而在简支梁式桥中，跨径从13~50m，大多数的横截面型式布置成多T梁截面型式。
精选文库T梁施工过程之六——成型
T梁施工过程之六——成型
T梁施工过程之六——成型
T梁施工过程之六——成型
T梁施工过程之六——成型
T梁施工过程之六——成型
T梁施工过程之六——成型
T梁施工过程之六——成型
T梁施工过程之六——成型
T梁施工过程之六——成型
T梁施工过程之六——成型
波纹管详图
预应力筋的预留管道可采用金属波纹管预埋的方法。
波纹管的接长可采用大一号同型波纹管作为接头管。
接头管的长度为200~300cm。
接头管的两端用密封胶带或塑料热缩管封裹，以防接缝处漏浆。
波纹管在安装就位的过程中应尽量避免反复弯曲，以防管壁开裂。
同时，还应防止电焊火花烧伤管壁。
发现管壁破损，应及时用粘胶带修补。
波纹管详图
波纹管详图
波纹管详图
波纹管详图
波纹管详图
简支T梁成桥过程桥墩浇筑
桥墩浇筑
支座安装
板式橡胶支座
支座位置
支座位置
精选文库中部T梁的吊装
中部T梁的吊装
中部T梁的吊装
精选文库
中部T梁的吊装
边梁吊装
精选文库边梁吊装
边梁横移就位
边梁横移就位
精选文库
边梁吊装完成
边梁吊装完成
精选文库边梁吊装完成
边梁吊装完成
桥面板现浇
精选文库
桥面板现浇
防撞护栏浇筑
精选文库防撞护栏浇筑
桥面铺装
桥面铺装
精选文库
栏杆安装
栏杆安装
精选文库沥青路面
沥青路面
细部观察
精选文库
细部观察
细部观察
精选文库简支空心板梁
简支空心板梁——边梁
简支空心板梁——边梁
简支空心板梁——边梁配筋
简支空心板梁——边梁配筋
简支空心板梁——边梁配筋
简支空心板梁——边梁配筋
精选文库简支空心板梁——预应力筋布置
简支空心板梁——箍筋
简支空心板梁——盖梁配筋
简支空心板梁——桥墩配筋
简支空心板梁——桥墩
简支空心板梁——桥墩与盖梁的连接
简支空心板梁——桥墩与盖梁的连接
精选文库简支空心板梁——桥台
简支空心板梁施工过程——原始地形
简支空心板梁施工过程——设置桥台
精选文库
简支空心板梁施工过程——设置桥墩
简支空心板梁施工过程——浇注盖梁
精选文库简支空心板梁施工过程——边梁架设
简支空心板梁施工过程——铺设中部梁板
简支空心板梁施工过程——桥面铺装
精选文库
简支空心板梁施工过程——两岸施工
简支空心板梁施工过程——中部合龙。
