ANSYS工程分析进阶实例.docx

第5章土木工程应用实例

知识要点：

l钢筋混凝土加劲桁架悬索体系

l初始找形

l柔性索的模拟l初应力

l移动载荷

l门式刚架轻型钢结构

l变截面梁

l自定义梁截面

l刚接与铰接

lRayleigh阻尼

l模态分析

l地震载荷分析

l高耸结构

l抗风抗震分析

l渡槽结构

l支座模拟

l双连拱隧道开挖

l施工过程有限元模拟

l初始地应力

l生死单元

lDrucker-Prager（DP）材料

l载荷工况组合本章导读：

在世界范围内，ANSYS已经成为土木建筑行业CAE仿真分析的主流。在钢结构和钢筋混凝土房屋建筑、体育场馆、桥梁、大坝、隧道以及地下建筑物等工程中得到了广泛的应用。

悬索桥就是以悬索为主要承重结构的桥，其主要结构包括缆、塔、锚、吊索及加劲梁，其受力特征是载荷由吊索传至主缆，再传至锚墩，传力途径简洁、明确。本章对这一结构进行初始找形分析、移动载荷和模态分析。

门式刚架轻型钢结构是单层工业厂房中一种广泛采用的结构形式。本章就变截面门式刚架空间非线性工作特性进行计算分析，主要包含静力分析、模态分析以及时程分析。

高耸结构High-riseStructure是一种高度和横向尺寸之比较大的建筑物，横向载荷起主导

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作用。因为高宽比较大，结构抗弯刚度相对较柔，在横向载荷作用下，容易产生较大的振动和变形。因此，高层建筑结构的抗风抗震计算是高层建筑设计中的重要内容。

渡槽是跨越河流、道路、山谷等的架空输水建筑物，渡槽在其设计使用年限内，不仅受水压、自重等静力载荷的作用，还会受到风、地震等动力载荷的作用，对渡槽安全极为不利。本例将对南水北调工程中某大型渡槽作地震响应分析。

连拱隧道是随我国公路建设的迅速发展而提出的新型大跨度隧道形式，在我国高速公路的建设中，连拱隧道得到了越来越多的应用。但是连拱隧道开挖跨度较大，施工工序繁多，开挖和支护工序相互交叉，围岩应力变化和衬砌载荷转换十分复杂，尤其是中墙受力更为复杂。因此，对隧道施工中围岩的稳定性以及初期支护、二次衬砌的受力和安全性进行分析十分必要。在本例选取中导正洞全断面法的施工过程进行有限元模拟。

5.1钢筋混凝土悬索桥有限元分析

悬索桥就是以悬索为主要承重结构的桥，其主要结构包括缆、塔、锚、吊索及加劲梁，其受力特征是载荷由吊索传至主缆，再传至锚墩，传力途径简洁、明确。现代悬索桥的加劲梁一般由钢桁架或者钢箱梁组成，而把加劲钢箱梁改为混凝土箱梁，使悬索桥用钢量大大降低，在材料用量上与斜拉桥有了可比性。研究表明，混凝土悬索桥还具有以下突出优点：

混凝土悬索桥自重大，主缆自重刚度大，在同跨径、同载荷作用下，混凝土悬索桥比钢悬索桥变形小，其竖向挠度约为钢悬索桥的60%左右，说明采用混凝土悬索桥可改善钢悬索桥刚度小的缺点，使之与斜拉桥的可比性增加。

混凝土悬索桥加劲梁的抗弯、抗扭惯性矩大，其抗风稳定性比钢悬索桥好，可以大大改善悬索桥的动力稳定性，增大了与同跨径斜拉桥的竞争能力。

混凝土悬索桥与钢悬索桥一样，主要承重结构是主缆，只要将主缆架设完成后，主要承重结构即已完成，在施工中若遇强风，也不会造成全桥破坏，加劲梁的架设可依托主缆吊装，拼装工作较安全，也就是说，只要主缆架设完成后，施工可较安全进行。与斜拉桥大悬臂施工相比，可靠性大，并且没有较复杂的调索工序。

5.1.1问题描述

某悬索桥采用钢筋混凝土加劲桁架悬索体系，主塔材料采用钢筋混凝土，混凝土标号C30。横桥向采用H型塔，索塔中心间距为120m。索塔基础采用明挖天然扩大基础，索塔总高为54m。加劲梁采用钢筋混凝土桁架，结构采用预制吊装的施工工艺，预制构件长度为4m，等于吊索间距，纵梁与横梁一起布置成为沿桥长方向连续的桁架体系。该桥在两岸各设引桥一座。桥梁一端置于索塔的横梁上与主跨的加劲梁相衔接，另一端置于带一字翼墙的轻型桥台上。轻型桥台的基础直接置于土壤层上，为防止冲刷，采取了一些必要的护砌与绿化措施，引桥桥面宽度与主桥一致。锚碇采用组合式结构体系，下部由9根150cm的挖孔灌注桩为基础，挖孔桩桩尖嵌入基岩中，主索传来的巨大的水平拉力由锚碇前的土壤的主动土压力、桩基的土抗力和锚碇与岩石之间的摩阻力来平衡。主缆采用GB362－64标准镀锌钢丝绳，直径φ79mm，索面中距10.8m，主缆垂跨比f/l=1/8；全桥共有吊索52对，吊索采用镀锌钢丝绳，直径φ39mm，表面涂防锈漆。结构如图5-1和图5-2所示。

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