连续刚构桥预应力仿真分析系统BridgeKF的研究.pdf

!巴望塑坌堑童鎏鉴翌耋 !耋呈至!!!!!!苎!一!． 连续刚构桥预应力仿真分析系统BridgeKF的研究 扬昀向学建王磊 (交通部公路科学研究所) 摘要“连续刚构桥预应力仿真分析系统BrldgeKF的研究”是交通部“十·五”跨世纪人才项目。 该项目经过四年的研究已于2004年3月通过鉴定，其研究总体水平达到国内领先。本文简要阐述该项 目研究的主要成果蹦dgeKF系统。 关键词连续刚构桥仿真分析BridgeKF系统 1 BridgeKF研究背景 连续刚构的计算多年来～直停留在平面分析上，即使做空间分析也是局部做，如零号块空间分析、锚 下局部应力分析等，极少做全结构仿真分析。对于直连续刚构桥结构计算，平面分析加局部空间分析设计 上基本够用，但对于预应力计算，竖向预应力不能和纵向预应力整体计算，一直是缺陷。目前已建成的一 些大跨径连续刚构桥中出现r裂缝，别的原因姑且不论，结构整体预应力效应分析不够肯定是原因之一。 近几年开始出现弯连续刚构桥，其计算问题尤其是三向预应力计算更没有很好地解决。正是在这种背景 下，交通部列专项课题，研究解决直、弯连续刚构三向预应力的计算问题，即开发专用系统BridgeKF。 2国内外研究概况 我国桥梁计算程序的发展大约经历三个阶段：(1)结构力学有限元分析程序；(2)平面有限元桥梁专用 分析程序；(3)空间有限元桥梁专用分析程序。了解三个阶段的发展情况对开发BridgeKF系统很有必要。 第一阶段(20世纪六、七十年代)结构力学有限元程序。桥梁结构最早借助程序计算是引进力学界 特点是程序中嵌有各种单元模式可供选择，其力学计算包括静动力、稳定分析。借助有限元程序分析， 提高了桥梁专业人员对结构受力的认识水乎，尤其是复杂结构。这～阶段由于程序没有前后处理，使用 起来较不方便。 第二阶段(20世纪七十年代末～九十年代末)平面有限元桥梁专用分析程序。桥梁专用软件的开 发，国内始于20世纪70年代末。有代表性的成果是QJ)【系列软件，它的核心部分是国内计算机专家、 桥梁结构专家会战的成果。QJ)【系列软件采用偏心杆元来模拟结构变截面，并在程序中溶进了桥梁设 计思想，如分阶段模拟施工过程、荷载组合计算等，这些专业特点是纯力学分析软件无法替代的，因此 QJ)(在很长时间内，为桥梁界专有分析程序。虽然QJ)(后来发展为不同版本，但主体部分基本一样。这 一阶段桥梁平面杆系专用程序对国内桥梁建设的发展起到重要推动作用。 第三阶段(zo世纪90年代末至今)空间有限元桥梁专用分析程序。过去桥梁行业20多年来一直采 用的QJ)(系列专用桥梁结构分析系统是一个较好的分析系统，其中很多计算内容是非专业程序所不能 及的或做起来很麻烦。但QⅨ系统也有缺陷，它只能对结构进行平面分析，对空闯问题就无能为力。 为弥补这一不足，行业中近几年开始引进国外空间分析程序(如ANSYS、TDV、M1DA)或自编空间分析程 序(铁路、交通、市政均有产品)。综合比较分析这些程序后，发现无论国内还是国外产品在解决预应力 计算上都存在缺陷：(1)如果采用实体单元，预应力大多不能自动输入，而且计算上基本采用近似模拟方 法，如降温法、初应变法等；(2)如果采用曲梁或梁格单元，要么不能计算横竖向预应力，要么不能计算竖 向预应力。 3 BridgeKF系统计算原理 开发BridgeKF有限元分析系统，需解决以下三个问题：(1)采用何种单元才能有效地仿真分析三向 预应力；(2)预应力计算机理问题，即如何准确地分析预应力在结构中的作用；(3)预应力分阶段施工模拟 问题。这三个问题是预应力仿真分折的根本性问题。 3．1确定预应力仿真分析基本单元 采用空间梁单元、梁格单元、曲梁单元，由于单元性质决定都不能很好地仿真分析三向预应力，这是 不争的事实。那么板单元如何?板单元在三维仿真分析上也有缺陷，理由如下： (1)板单元沿厚度方向是近似的，不能很好地模拟桥墩与箱梁交接地方、箱梁板与板之间加腋部分 和厚横隔板等部位。在这些地方是计算不准的； (2)板单元不能计算体积力，只能近似用面力模拟； (3)对于板单元施加三向预应力，应用板平面问题和板弯曲问题理论上可以解决，但实际上几乎不 可能。连续刚构桥不可能在一个