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摘要：本文以某异形混凝土箱型梁桥为例，通过对其进行建模和计算分析，介绍ANSYS在异形箱型梁桥力学性能分析中的应用，并通过荷载试验验证其可行性和可靠性，为此类结构的数值计算提供参考。
关键词：异形混凝土箱型梁桥；力学性能分析；荷载试验
Mechanical Performance Study and Loading Experiments Research on Irregular Concrete Box Girder Bridge Based on ANSYS
Abstract: In this paper, based on modeling and analysis of a irregular concrete box girder bridge, ANSYS’s application in mechanical property analysis of the bridge is introduced, and loading experiments on the bridge are done to verify its feasibility and reliability, which provide good references for numerical calculation of similar structures.
Key words: irregular concrete box girder bridge, mechanical performance analysis, loading experiment
在桥梁建设过程中，为了满足路线线形、行车舒顺和人们审美等方面的要求，往往采用各种曲线形式和异形的桥梁结构。异形桥梁通常是指变宽度桥、两端支承边斜角不等的直斜桥和弯斜桥、支承边呈折线形的多边形斜桥等。按其结构形式的不同可以分为异形板桥、异形梁桥（如T梁）和异形箱型梁桥。其中异形混凝土箱型梁桥以其整体性好、抗扭刚度大、建筑高度小、能适应立交桥复杂的线形变化等优点在立交桥的修建中得到广泛应用[1]。另外，由于异形箱型梁桥的构造特点使得其受力状态复杂，结构空间效应显著，采用常用工程计算分析软件进行模拟（大部分采用平面杆系单元），在边界条件、支座约束、载荷施加方面不能准确实现，同时计算精度也无法保证。目前对异形桥的研究还很不成熟[2]，只有很少的几位学者，对异形桥做过一些研究和分析[3] [4] [5] [6]。因而，研究此类桥梁的受力特性具有很好的理论和工程使用价值。鉴于此，本文运用大型通用有限元软件ANSYS对某高速公路上的一座五跨异形现浇钢筋混凝土连续箱梁桥进行有限元模拟，分析其力学性能，并通过荷载试验验证分析该方法的可行性和可靠性，为异形箱梁桥的力学性能分析提供参考。
一、模型建立
某高速上的一座预应力混凝土连续箱梁桥，全长787.4米，车辆荷载等级为公路-I级，本文研究对象为该桥左幅五跨一联异形连续箱梁，跨径组合为2×26＋31＋30＋22m，箱型梁宽度为20.4m，上部结构混凝土强度等级为C50
由于异形箱型梁桥边界条件、受力情况复杂，平面杆系分析方法已不能精确分析，因而本文采用ANSYS软件建立该桥的三维实体模型，并通过自动网格划分功能生成有限元模型。建模采用solid45单元，solid45单元用于三维实体结构模型，单元由8个节点结合而成，每个节点有 3个方向的自由度，具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变的特征，可以满足本文的结构特点和计算需要。
混凝土材料参数：弹性模量E=3.45×104MPa，泊松比μ=0.167，密度ρ=2600kg/m3，建立桥梁上部结构有限元模型及边界条件如图3所示。
为了划分单元时不出现扭曲的单元和奇异点，本文将跨中截面的倒角均简化为交角，另外，由于墩顶截面与跨中截面尺寸不同，在两截面之间存在过渡段，图4给出一段过渡截面段模型。
二、结构计算与后处理
为了得到设计荷载效应下桥梁的各控制断面应力及变形，评价桥梁的承载能力和力学特性。采用如下四种工况分别进行理论分析计算。具体工况如下：
1）边孔跨中最大正弯矩中载；2）边孔跨中最大正弯矩左偏载；3）次边跨最大正弯矩中载；4）次边孔最大正弯矩左偏载。
经过结构计算分析和后处理得到各工况下的桥梁结构的位移和应力云图，见图6、图7，由于加载位置是在第一孔和第二孔，变形也主要在前三孔，因而图中只显示出了前三孔的变形。三、荷载试验与理论计算对比分析
为了验证基于ANSYS的异形箱梁桥结构分析的可行性和可靠性，以理论模拟的工况进行了荷载试验。该桥荷载试验于2011年4月进行，加载分四个工况，采用5辆40 的三轴汽车加载于桥上，加载布置见如图8所示，计算得到各工况的加载效率在0.960~1.017之间，满足《大跨径混凝土桥梁试验方法》的要求。
试验得到各工况下边孔跨中和次边孔跨中各测点的位移和应变值，限于篇幅，本文只给出了工况1和工况2下的位移和应变的理论计算值与实测值的对比图，如图9、10所示，其中，51-55、56-60分别表示边孔和次边孔跨中底板处（从中央分隔带一侧算起）5个挠度测点，测点沿梁底板宽度方向等距布置；1-7表示边孔跨中底板处（从中央分隔带一侧算起）应变测点，测点沿梁底板宽度方向等距布置。从图6可以看出，该桥在中载工况下，同一孔内跨径较大一侧（左侧）的挠度偏大，左右两侧随跨径不同，挠度差异较为明显，而相邻跨反起变形也同样随自身跨径增大而增大；在左偏载工况下，本跨内左侧挠度偏大，左右两侧的挠度变化梯度更为明显，相邻跨内仍然是跨径较大一侧的挠度较大。从图7可以看出，在中載工况下，应力在边孔跨中为最大，并沿桥梁纵向逐渐递减，但左右两侧随跨径不同，差异不明显；在左偏载工况下，应力在左侧明显偏大，随跨径大小变化也不明显。从图9和图10可以看出，荷载试验结果与理论计算分析结果完全相吻合，表明基于ANSYS在异形箱型梁桥中力学性能分析的方法是可行的和可靠的。另外该分析和试验结果也表明，异型梁桥的变形和应力分布与常规桥梁的受力特点有明显不同。
四、结论
荷载试验结果与理论计算分析结果完全相吻合，表明：（1）采用ANSYS软件能较为准确的模拟异形混凝土箱梁桥的几何形状、尺寸、材质、边界条件和荷载施加；（2）计算结果能准确的反映出异形箱梁桥的受力特点。（3）该计算分析方法是可行的和可靠的，在此类桥的计算中可以考虑采用。
关键词：异形混凝土箱型梁桥；力学性能分析；荷载试验
Mechanical Performance Study and Loading Experiments Research on Irregular Concrete Box Girder Bridge Based on ANSYS
Abstract: In this paper, based on modeling and analysis of a irregular concrete box girder bridge, ANSYS’s application in mechanical property analysis of the bridge is introduced, and loading experiments on the bridge are done to verify its feasibility and reliability, which provide good references for numerical calculation of similar structures.
Key words: irregular concrete box girder bridge, mechanical performance analysis, loading experiment
在桥梁建设过程中，为了满足路线线形、行车舒顺和人们审美等方面的要求，往往采用各种曲线形式和异形的桥梁结构。异形桥梁通常是指变宽度桥、两端支承边斜角不等的直斜桥和弯斜桥、支承边呈折线形的多边形斜桥等。按其结构形式的不同可以分为异形板桥、异形梁桥（如T梁）和异形箱型梁桥。其中异形混凝土箱型梁桥以其整体性好、抗扭刚度大、建筑高度小、能适应立交桥复杂的线形变化等优点在立交桥的修建中得到广泛应用[1]。另外，由于异形箱型梁桥的构造特点使得其受力状态复杂，结构空间效应显著，采用常用工程计算分析软件进行模拟（大部分采用平面杆系单元），在边界条件、支座约束、载荷施加方面不能准确实现，同时计算精度也无法保证。目前对异形桥的研究还很不成熟[2]，只有很少的几位学者，对异形桥做过一些研究和分析[3] [4] [5] [6]。因而，研究此类桥梁的受力特性具有很好的理论和工程使用价值。鉴于此，本文运用大型通用有限元软件ANSYS对某高速公路上的一座五跨异形现浇钢筋混凝土连续箱梁桥进行有限元模拟，分析其力学性能，并通过荷载试验验证分析该方法的可行性和可靠性，为异形箱梁桥的力学性能分析提供参考。
一、模型建立
某高速上的一座预应力混凝土连续箱梁桥，全长787.4米，车辆荷载等级为公路-I级，本文研究对象为该桥左幅五跨一联异形连续箱梁，跨径组合为2×26＋31＋30＋22m，箱型梁宽度为20.4m，上部结构混凝土强度等级为C50
由于异形箱型梁桥边界条件、受力情况复杂，平面杆系分析方法已不能精确分析，因而本文采用ANSYS软件建立该桥的三维实体模型，并通过自动网格划分功能生成有限元模型。建模采用solid45单元，solid45单元用于三维实体结构模型，单元由8个节点结合而成，每个节点有 3个方向的自由度，具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变的特征，可以满足本文的结构特点和计算需要。
混凝土材料参数：弹性模量E=3.45×104MPa，泊松比μ=0.167，密度ρ=2600kg/m3，建立桥梁上部结构有限元模型及边界条件如图3所示。
为了划分单元时不出现扭曲的单元和奇异点，本文将跨中截面的倒角均简化为交角，另外，由于墩顶截面与跨中截面尺寸不同，在两截面之间存在过渡段，图4给出一段过渡截面段模型。
二、结构计算与后处理
为了得到设计荷载效应下桥梁的各控制断面应力及变形，评价桥梁的承载能力和力学特性。采用如下四种工况分别进行理论分析计算。具体工况如下：
1）边孔跨中最大正弯矩中载；2）边孔跨中最大正弯矩左偏载；3）次边跨最大正弯矩中载；4）次边孔最大正弯矩左偏载。
经过结构计算分析和后处理得到各工况下的桥梁结构的位移和应力云图，见图6、图7，由于加载位置是在第一孔和第二孔，变形也主要在前三孔，因而图中只显示出了前三孔的变形。三、荷载试验与理论计算对比分析
为了验证基于ANSYS的异形箱梁桥结构分析的可行性和可靠性，以理论模拟的工况进行了荷载试验。该桥荷载试验于2011年4月进行，加载分四个工况，采用5辆40 的三轴汽车加载于桥上，加载布置见如图8所示，计算得到各工况的加载效率在0.960~1.017之间，满足《大跨径混凝土桥梁试验方法》的要求。
试验得到各工况下边孔跨中和次边孔跨中各测点的位移和应变值，限于篇幅，本文只给出了工况1和工况2下的位移和应变的理论计算值与实测值的对比图，如图9、10所示，其中，51-55、56-60分别表示边孔和次边孔跨中底板处（从中央分隔带一侧算起）5个挠度测点，测点沿梁底板宽度方向等距布置；1-7表示边孔跨中底板处（从中央分隔带一侧算起）应变测点，测点沿梁底板宽度方向等距布置。从图6可以看出，该桥在中载工况下，同一孔内跨径较大一侧（左侧）的挠度偏大，左右两侧随跨径不同，挠度差异较为明显，而相邻跨反起变形也同样随自身跨径增大而增大；在左偏载工况下，本跨内左侧挠度偏大，左右两侧的挠度变化梯度更为明显，相邻跨内仍然是跨径较大一侧的挠度较大。从图7可以看出，在中載工况下，应力在边孔跨中为最大，并沿桥梁纵向逐渐递减，但左右两侧随跨径不同，差异不明显；在左偏载工况下，应力在左侧明显偏大，随跨径大小变化也不明显。从图9和图10可以看出，荷载试验结果与理论计算分析结果完全相吻合，表明基于ANSYS在异形箱型梁桥中力学性能分析的方法是可行的和可靠的。另外该分析和试验结果也表明，异型梁桥的变形和应力分布与常规桥梁的受力特点有明显不同。
四、结论
荷载试验结果与理论计算分析结果完全相吻合，表明：（1）采用ANSYS软件能较为准确的模拟异形混凝土箱梁桥的几何形状、尺寸、材质、边界条件和荷载施加；（2）计算结果能准确的反映出异形箱梁桥的受力特点。（3）该计算分析方法是可行的和可靠的，在此类桥的计算中可以考虑采用。