128m连续钢箱梁仿真分析Simulation of a 128m Span Continuous Steel
Box Girder
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毕业论文开题报告
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
Abstract
Finite 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 girder．Base on ANSYS and the engineering example, the general model of the steel box structure (including top slaps，u-type stiffeners, diaphragms, webs and bottom slaps) is established．According to the mechanical character of continuous steel box girder，and considering the interaction of each part，the paper analyzes the mechanical properties of the continuous steel box girder by using 3-D shell elements，get the steel box girder’s 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 exceed 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 (1)
1.1 课题研究的目的和意义 (1)
1.2 国内外研究现状 (1)
1.2.1常规桥梁结构计算 (1)
1.2.2全桥结构仿真分析 (3)
1.3 论文主要研究内容 (3)
第2章钢箱梁背景介绍 (4)
2.1 钢箱梁的钢材选择 (4)
2.2 钢箱梁主要设计参数的选择 (5)
2.2.1桥面顶板的厚度 (5)
2.2.2纵向加劲肋 (6)
2.2.3横隔板设计 (6)
2.3 抗风性能对箱梁设计的要求 (8)
第3章钢箱梁模型建立 (9)
3.1 工程概况 (9)
3.2 ANSYS软件介绍 (10)
3.2.1 ANSYS软件的基本介绍 (10)
3.2.2 ANSYS桥梁结构工程应用 (13)
3.3 主梁建模 (14)
3.3.1模型说明 (14)
3.3.2主梁建模过程 (14)
3.4 有限元模型生成 (20)
3.4.1各类常数设置 (20)
3.4.2网格划分 (21)
3.5 模型说明 (22)
第4章数值计算及分析 (23)
4.1 计算说明 (23)
4.2 加载计算 (23)
4.2.1添加约束 (23)
4.2.2添加自重及车道荷载 (23)
4.2.3自重下变形及应力 (24)
4.2.4自重+车道荷载下变形及应力 (27)
4.3 模态分析 (30)
第5章结论 (34)
参考文献 (35)
致谢 ................................................................................................. 错误！未定义书签。附录A 英文资料 (36)
附录B 翻译 ..................................................................................... 错误！未定义书签。
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，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：①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；②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：①未能反映构件所包含的结构性细部(如与箱梁和箱形杆件抗扭刚度密切相关的隔板)；②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：①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、竖向荷载作用扭矩和横向荷载作用扭矩等；②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；③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；④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；⑤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。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，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345MPa s σ≥级，如Q345。少数铁路桥采用了420MPa s σ≥级的15n M VN 。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。设计中主要考虑两个条件：首先是强度条件，即顶、底板厚度要使运营过程中的应力在钢材容许应力限度之内；其次是局部稳定条件，由于顶、底板厚度与腹板间距相比很小，因此，钢板的局部稳定性要充分考虑。前一个条件关系到结构自身安全运营；后一个条件还能影响到桥面铺装的使用寿命。欧洲最初的钢箱梁顶板设计采用12 mm 。我国早期修建的几座大跨度悬索桥，从西凌长江大桥、虎门大桥，到江阴长江大桥、厦门海沧桥等，钢桥面板厚度也都采用了12 mm 。但在通车后不久，几座桥的钢桥面铺装都出现了不同程度的损坏。除铺装设计本身的原因外，钢桥面板的局部变形过大也被认为是引起桥面铺装较快损坏的主要原因之一。上述几座桥梁的桥面板厚度在结构设计计算中，已经满足规范规定的使用要求。但由于我国国情所致，桥梁运营期间，交通组成中超重车比例较大，实际的桥面荷载与标准的设计荷载差别较大，造成局部变形过大。所以，有必要增加钢桥面板的厚度，提高钢箱梁刚度，以减小重载下的桥面局部变形。正在设计中的珠江黄浦大桥，标准截面桥面板厚度采用了16 mm ，以期能取得较好的效果。
2.2.2 纵向加劲肋
钢箱梁的顶、底板和腹板厚度较小，是典型的闭口型薄壁结构，因此必须有一定数量的加劲构件如加劲肋和横隔板来保证其受力性能。钢箱梁在无加劲肋的情况下常出现下面一些问题：1)在垂直荷载作用下顶板发生较大的凸凹变形，在集中荷载作用点附近受压翼缘局部屈曲，腹板被压皱；2)在弯矩作用下，因截面惯性矩不足，弯矩达到临界弯矩M 时会发生弯折破坏；3)在扭矩T 作用下，当T 达到临界扭矩时箱梁会出现屈曲现象。为提高钢箱梁承载能力并保持良好的工作性能，需要沿顶、底板纵向设置足够的加劲肋，横向设置横隔板。设置过多的加劲肋会增加梁体自重，造成材料浪费，不能充分发挥材料应有的作用
钢桥面板加劲肋的截面形式一般分为开口截面和闭口截面，相应地加劲肋亦称为开口加劲肋和闭口加劲肋，开口加劲肋主要形式有平钢板形、L 形和倒T 形，而闭口加劲肋的主要形式有梯形(槽形)、矩形、三角形(V 形)、U 形和Y 形等。由于闭口加劲肋能提供较大的抗扭劲度和抗弯刚度，能改善整个桥面钢板的受力状态，减小钢板的应力，因此成为现代钢箱梁钢桥面板首选的加劲肋截面形式。加劲肋的壁厚和槽口形状对桥面板局部刚度影响较大，过去曾采用6 mm 板厚(如江阴长江大桥)，随着对桥面板局部刚度的重视，开始应用8mm ，另外对槽口形状也在不断优化，在提高局部刚度的情况下，尽可能减少用钢量。加劲肋间距对桥面板的局部稳定性非常重要。如德国规范规定行车道部分纵肋间距25b t ≤，t 为翼板厚度；日本规定在12t mm ≥时，行车部分28.5b t <。我国设计钢箱梁桥，视桥面板厚度不同，顶面纵肋问距一般控制在250～300 mm 之间。
2.2.3 横隔板设计
钢箱粱桥是具有薄壁闭口截面主梁钢桥的总称。钢箱梁桥的箱体一般应用低合金薄板焊接而成，抗弯抗扭刚度大，弯曲应力图形合理，剪应力小，自重小．另外，从箱梁的结构上来看，无论是承受竖直偏心荷载还是水平荷载，都能作为一个空间结构来抵抗外力，能发挥各个杆件的力学性能，没有零杆。
然而钢箱梁的顶板、底板和腹板，其厚度与高度和宽度之比非常小，是较混凝土箱梁更为典型的薄壁结构，在集中荷载、均布荷载、弯矩和扭矩等作用下横截面会发生明显的变形，从而导致整个梁体发生局部屈曲、腹板压皱和弯折破坏等现象，因此设置一定数量的横隔板来保证其受力性能，达到阻止横截面形状的变形，限制由横截面形状变形和扭转共同引起的横向弯曲畸变应力和纵向正应力，同时起着局部约束截面扭曲的作用，从而阻止梁体由于局部屈曲而产生的失稳现象。
设置于箱梁中的横隔板按照它们的位置主要分为支座横隔板和中间横隔板，它们对箱梁特性的影响也各不相同。
(1)支座横隔板
将无横隔板的箱梁与仅在支座截面具有横隔板的箱梁比较，可知无横隔板的箱梁在无横隔板的端截面和支座截面附近，横截面的形状出现较大的变形，从而引起较大横向弯曲畸变应力(若对混凝土箱梁而言，会在截面角隅处产生裂缝)。这同支座处具有横隔板的箱梁比较，其纵向翘曲应力也较大。无横隔板箱梁的另一个缺陷是在支座区内由扭转产生的剪应力集中作用于箱梁的腹板上，而腹板已经承受由弯曲引起的相当大的剪力，这将引起箱梁的翘曲变形。与之相反的是，当设有支座横隔板时，即能保证支座处只由竖向反力在箱梁中所产生的扭矩也分配给翼板，而箱梁腹板的受力很小。在支座处设置横隔板的另一优点是箱梁的自重直接传递给支座，对箱梁本身不产生弯矩。
(2)中间横隔板
对于中间横隔板而言，它能使其所在截面的变形受到很大的约束，可以大大减小畸变效应。
虽然横隔板可以显著减小畸变效应，但是，并不是设置横隔板越多畸变效应就一直大幅度的减小．当横隔板间距减小到临界间距的时候，再继续增加横隔板也是不经济、没有意义的。此外，并不是只有横隔板可以影响畸变效应大小，杆壁的厚度等其它因素也会影响薄壁杆件畸变效应的大小。在实际工程中，横隔板的设置除了保证结构的受力要求外，还应综合考虑构造要求、加工制造、运输安装等一些其他因素，横隔板数量的增加同时也会增加结构的自重，从而引起弯曲内力增大、运输和吊装困难等其它问题。因而，横隔板应尽量设置在钢箱梁的支座处，跨中区段设置横隔板应进行结构分析计算。
在桥梁纵向，钢箱梁桥面板上的荷载由桥面板传给纵向加劲肋，再由纵向加劲肋传给横隔板，因此横隔板相当于纵肋的弹性支撑，减小了纵向加劲肋的跨度和受压失稳时的自由长度；在桥梁横向，横隔板和有效宽度内的钢箱梁的上下翼缘共同作用相当于一个上缘受压的工字梁。钢箱梁在承受非对称荷载时，不但发生弯曲，并且伴随着扭转和畸变。为了有效抵抗以上的变形效应，横隔板需要足够的刚度和适当的间距。
箱梁隔板一般有两种形式：一种是桁架式；另一种是实体式。在承受较大轴向压力的斜拉桥钢箱梁设计中，一般采用桁架式纵向隔板。如出于对整体刚度的考虑，横隔板较多的采用实体式。实体式横隔板的做法按照隔板与上下顶板连接方式的不同，总体上可以分为两种：一种是横隔板与上下顶、底板直接相连；另一种是通过
搭接板与上下顶、底板相连。第一种制造方法适用于截面较小的箱梁，如西陵大桥采用了这种做法，钢箱梁制造用反胎架建造法，即先将顶板翻身置于胎架上，与横隔板相焊后将梁段整体翻身，焊接横隔板和底板。该法由于需要梁段翻身，对于梁宽较大的桥梁并不合适。因此，搭接式横隔板由于制造简单，组装容易，工艺要求不高，在当前的设计中，采用较多。
横隔板的厚度一般采用8 mm，在吊点处会有加强，增加到10 mm，同样是出于提高整体刚度的考虑，已有将其普通处增厚至10 mm，吊点处增厚至12 mm的设计，如珠江黄埔大桥。但如前所述，更能体现横隔板作用的是抵抗箱梁扭转和畸变，增加横隔板板厚对于钢箱梁整体刚度的提升效果还有待实践的检验。
横隔板的间距也关系到桥面的局部刚度，一般取节段长度的整分数，以便于钢箱梁节段的工厂标准化制作。如虎门大桥节段长度16m，横隔板间距取的是节段长度的四等分即4m，江阴长江大桥、珠江黄埔大桥的节段长度也是16m，但取的是五等分，间距3.2m。国内钢箱梁桥横隔板间距最小的要属西陵长江大桥，其节段长度为12.7m，为了抵抗三峡建设期间的特种载重车辆荷载，箱梁横隔板间距设计为2.54m，为节段长度的1/5。
2.3 抗风性能对箱梁设计的要求
钢箱梁主梁横截面形状及尺寸的局部改变，都会对桥面的流场及桥梁的风致响应产生明显影响。出于结构物风致响应计算的复杂性和不确定性，对箱梁抗风性能主要是通过风洞试验检验，再根据检验结果，对箱梁设计进行优化。
第3章钢箱梁模型建立
3.1 工程概况
和平路位于石家庄市北面，是沟通石家庄市东西向的一条重要交通主干道，根据总体设计要求，该路段为高架工程，是石家庄改善整个路网结构的一个主要工程。该高架上跨现状京广电气化铁路线以及规划京广铁路入地段，为重要的跨线路结构工程，现状京广电气化铁路为全国最重要的铁路命脉、电气化铁路，对在其上施工的结构工程要求极高。
和平路跨京广铁路线位于铁路桩号K264+727处，铁路为北京至广州京广铁路，铁路走向为南北向，该处共有7股道，由西向东分别为大广线、石太下行、京广上行、京广下行、石德下行和机务段分叉线2股，均为电气化铁路，该处京广铁路与和平路高架桥中心线交角为82.369度，轨顶标高为73.45m，其下为三跨钢筋混凝土框架箱梁。
京广铁路入地段位于现状铁路东侧约23m处，范围约46m，高架结构既要考虑上跨现状京广铁路，同时又必须跨越规划铁路入地段，确保入地段在今后可顺利实施。
和平路现状为下穿铁路的交通要道，车辆繁忙，高架工程根据现有道路的结构，依势布置，即高架立柱均设置在地面机动车道的两侧，高架结构完成后，地面机动车仍可通行。跨铁路高架结构立柱布置在原有地道结构两侧，结构形式不影响原有地道结构及铁路的正常运行。
(1)上部结构布置
和平路跨铁路钢箱连续梁桥设计桩号范围为K2+126.187~K2+254.639，墩号为P84#~P86#，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，桥梁总宽度25.5m，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%。
(2)钢箱梁主要构造尺寸
钢箱连续梁梁高为变化值，中点梁高3.0m，边支点梁高2.5m，梁高自中支点向两侧边支点9.5m范围内直线变化。上部结构为单箱多室连续钢结构箱型梁形式，外侧为斜腹板，单箱顶宽25.5m，底宽18.2-18.916m，翼缘板长1.6m，支点处梁高2.5m(h/L=1/25.4),梁底按折现布置，按计算要求设置预拱度。
顶板为正交异性桥面板，厚度为14-16mm，在中墩顶局部加厚至28mm；车行道顶板U形加劲肋板厚度8mm；底板厚度12-18mm，中墩顶局部加厚至28mm；腹板厚度10-20mm，在施工拉索处局部加厚。
横隔板标准间距3m，一般横隔板厚度8mm；中墩处加厚至32mm。
3.2 ANSYS软件介绍
3.2.1 ANSYS软件的基本介绍
有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种在计算数学、计算力学和计算工程科学领域最有效的现代计算方法。经过40多年的发展已经使各种不同的有限元方法形态相当丰富，理论基础相当完善，并且开发了一批通用和专用的有限元软件，如ANSYS、MSC\NASTRAN、MSC\MARC、ABAQUS和ALGOR等。在众多可用的通用和专用的有限元软件中，ANSYS是最为通用和有效的商用有限元软件之一，用户也最为广泛。
ANSYS拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器，保证了它能够高效的求解各类结构的静力、动力、振动、线性和非线性问题，稳态和瞬态热分析及热-结构耦合问题，静态和是时变电磁场问题，压缩和不可压缩流体力学问题，以及多场耦合问题；另外，ANSYS还可以进行概率设计、优化设计、教学应用，并可对其进行二次开发来实现用户需要的功能。它的完全交互式的前后处理和图形软件，大大减轻了用户创建工程模型、生成有限元模型以及分析和评价计算结果的工作量；它的DDA模块实现了它与多种CAD软件产品的有效连接，使模型和数据可以方便的转换[3]。
ANSYS的应力分析包括静态分析、模态分析、偕响应分析、瞬态动力分析、潜分析及显示动力学。下面先简单介绍一下静力分析的主要内容：
(1)几何建模
其中，前处理器(在ANSYS中称为Prep7)提供了对程序的主要输入。前处理的主
要功能是生成有限元模型，主要包括节点、单元和材料属性等的定义，通常先定义分析对象的几何模。
应用实体建模以及布尔运算(加、减、贴、交)的优势可解决建立复杂模型时的困难，但是，没有把握时布尔运算将难以保证成功。
(2)网格划分
网格划分是用节点和单元等“填充”实体模型，创建有限元模型的过程，需要注
意：只有有限元求解需要节点和单元，实体模型不需要，实体模型不参与有限元求解。
网格划分的三个步骤：
①定义单元属性
单元属性是网格划分前必须建立的有限元单元模型属性，它们包括：
l)单元类型
确定单元类型是很重要的。在结构静力分析中要用到的典型单元类型有：线单元、壳单元、实体单元(包括2D和3D单元)等。
2)实常数
实常数用于描述那些由单元几何模型不能完全确定的几何形状，例如：梁单元是由连接两个节点的线来定义的，这只定义了梁的长度，要指明梁的横截面属性，如面积和惯性矩等，就要用到实常数。壳单元是由四面体或四边形来定义的，这只定义了壳的表面积，要指明壳的厚度，必须用实常数。许多3-D实体单元不需要实常数，因为单元几何模型已经由节点完全定义。
3)材料属性
每个分析都需要输人一些材料属性，如结构单元所需要的杨氏模量EX，热单元所需的热传导率KXX等。定义材料属性的方法：
单独定义：通过材料模型GUI方式直接指定想要的材料属性，Preprocessor > Material props > Material model，双击合适的性质选项来定义材料属性。
ANSYS软件没有为分析指定系统单位，除了磁场分析外，可使用任意一种单位制，但一定要保证输入的所有数据都是同一单位制里的单位(单位必须对所有输人数据一致)。
使用/Units命令，可在ANSYS数据库中指定正在使用的单位体系，它仅仅为随后的查看做一个记录。
②指定网格控制
网格划分影响模型是否可用，影响计算结果的可接受程度，自适应网格划分(Adapt)前必须查自适应网格划分可用单元，在ANSYS中能够自适应网格划分的单元是有限的。网格划分完成后，必须检查网格质量。权衡计算时间和计算精度的可接受程度，必要时应该重新细化网格。
③生成网格
(3)加载
求解步是在模型的某处施加荷载然后让求解器计算有限元解。
荷载可以分为五类：
①自由度约束：定义自由度值，诸如应力分析中的位移或热分析中的温度；
②集中荷载：点荷载，诸如力或热流率；
③表面荷载：分布于一个表面的荷载，诸如压力或对流；
④体积荷载：体或场荷载，诸如温度(引起热膨胀)或内部热生成率；
⑤惯性荷载：由于结构质量或惯性引起的荷载，诸如重力及旋转速度。
可以施加荷载到实体模型或直接加到有限元模型上(节点和单元)，实体模型荷载更容易施加，因为拾取的数量更少。
实体模型荷载独立于网格。如果改变网格，无需重新施加荷载。无论怎样加载，求解器都希望荷载是加在有限元模型上的，因此，在求解时加在实体模型上的荷载将被自动转化到有限元模型上去。
下面我们将讨论如何正确给结构施加荷载边界条件并求解。
①位移和约束
位移和约束是用来定义模型固定的位置(零位移位置)。也可以是非零位移来设定一个已知的偏移，施加位移约束：
Solution > Loads-Apply > Displacement
选择你想施加位移的位置，在图形窗口中拾取图元。然后选择约束方向，或用D命令系列：DA, DL, DK, D(对面施加约束、对线施加约束、对关键点施加约束、对节点施加约束)。位移约束也被用于施加对称或反对称边界约束。还有两种对称边界条件需要说明：
1)正对称边界:面外位移和面内转角位移被约束；
2)反对称边界:面内位移和面外转角位移被约束。
②压力
施加压力用如下的菜单：Solution > Loads > Apply > Pressure，选择想施加压力的位置。在图形窗口中拾取图元，然后键人压力值，正值表示压力(指向单元的表面)。或用SF命令系列：SF，SFL，SFA，SFE，对于一个2-D模型，压力通常施加在线上，可以通过输入I和J端同一个值来定义一个均布荷载，I和J是由线的方向来定义的，如果坡度方向有误，只要将两个压力数值颠倒即可。
③重力
施加重力加速度用如下的菜单：Solution > Loads > Apply > Gravity或用Acel 命令。
需要说明的是：一个正的加速度值引起反方向的运动，如果Y指向上，那么一个正的加速度值将引起结构向下运动。对重力和其他形式的荷载必须定义密度。
(4)求解