MAIDAS在橋梁結構模型設計中的應用

摘要：文章介紹應用MIDAS Civil軟件建立結構模型進行有限元分析，具有直觀、快捷、便于結構調整和計算準確等諸多優點。將其用于橋梁結構模型設計，進行結構在不同荷載組合作用下的力學變形分析，使橋梁結構模型滿足設計要求。

[作者簡介]張皓翔（2001—），男，在讀本科，研究方向為橋梁、隧道等土木工程。

作為一款通用的空間有限元分析軟件，MIDAS Civil適用于橋梁、建筑等各類工程結構的設計分析，在結構設計建模、分析、后處理等方面提供了諸多便利功能。本文結合在重慶交通大學第八屆結構設計競賽中的橋梁結構模型設計實例，利用MIDAS Civil進行設計計算與分析。

1 橋梁模型設計概況

以斜拉+桁架組合橋型的橋梁結構模型為例，設計橋梁總長1 200 mm，橋梁跨度為75 mm+825 mm+300 mm，橋面寬150 mm，沿橋橫向的橋墩支座中心距600 mm。橋墩、橋跨均采用桁架結構，桁架高81 mm，立腹桿間距75 mm。

桁架上弦桿采用高6 mm、上、下翼板寬6 mm、腹板寬4 mm的工字形竹桿件，下弦桿、端部斜桿和索塔立柱均為6 mm×6 mm規格竹桿件，桁架立腹桿采用6 mm×3 mm規格竹桿件，主跨斜拉桿采用2 mm×2 mm規格竹桿件，橋梁結構其他桿件均采用3 mm×3 mm規格竹桿件，橋面采用150 mm×1 mm竹片（圖1）。

竹材密度0.8 g/cm3，順紋抗拉強度60 MPa，抗壓強度30 MPa，彈性模量6 GPa。

2 橋梁建模

按以下步驟建立橋梁結構模型，①設置單位系;②自定義竹材彈性模量6×103 N/mm2和容重0.007 84 N/cm3;③定義各種桿件截面及橋面板;④通過節點及單元功能建立橋梁模型;⑤定義橋梁結構內部連接;⑥定義橋梁結構的支承類型;⑦依次設置自重荷載等恒載、活荷載;⑧設定荷載組合。完成建模后，運行分析和查看計算結果。

（1）選擇單元類型。斜拉索定義為“只受拉/鉤/索單元”，橋面板定義為“板單元”，其余桿件定義為“一般梁/變截面梁單元”。

（2）建立邊界條件。索塔、主橋及橋墩之間接觸處均采用彈性連接-剛性連接。如圖1，每個橋梁支座共設4處一般支承，其中1處支承選擇D-ALL及RZ，其余3處支承選擇DZ、RZ。

（3）建立荷載。橋梁自重荷載取值Z=-1。分兩級建立橋梁活載，如圖1，一級荷載在主梁兩側對稱布置80 N、70 N、50 N、60 N的點荷載;二級荷載則將對稱布置的50 N點荷載改為橋梁一側點荷載100 N，另一側點荷載為0。在每個活載作用點按掛盤重量500 g設置點荷載為4.9 N。

（4）設定荷載組合。一級荷載組合為自重+掛盤重+一級荷載;二級荷載組合為自重+掛盤重+二級荷載。

3 結構計算分析

橋梁結構模型建好后，先用軟件自帶功能檢查是否存在重復單元，然后再點擊運行分析按鈕，完成分析后即可查看橋梁受力變形情況（圖2～圖4）。

3.1 桁架計算分析

選擇梁單元應力和一級荷載組合，見圖2和圖3，橋梁結構的組合應力最大值為31.5 MPa，彎曲應力最大值為16.7 MPa，低于竹桿件容許拉應力60 MPa;組合應力最小值為-25.2 MPa，彎曲應力最小值為-23.9 MPa，低于竹桿件容許壓應力30 MPa。

如圖4所示，一級荷載組合作用下的橋梁撓度W=2.0 mm，小于最大允許撓度限值[w]=±10 mm，符合設計要求。

選擇梁單元應力和二級荷載組合，橋梁結構的組合應力最大值為37.9 MPa，彎曲應力最大值為21.8 MPa，低于竹桿件容許拉應力60 MPa;組合應力最小值為-25.2 MPa，彎曲應力最小值為-25.0 MPa，低于竹桿件容許壓應力30 MPa;橋梁撓度W=2.2 mm，小于最大允許撓度限值[w]=±10 mm，符合設計要求。

3.2 斜拉桿計算分析

選擇桁架單元應力-受拉和一級荷載組合，見圖5，橋梁斜拉桿承受的最大拉應力為σ=5.1 MPa，小于竹桿件容許拉應力60 MPa，符合設計要求。

選擇桁架單元應力-受拉和二級荷載組合，橋梁斜拉桿承受的最大拉應力為σ=5.3 MPa，低于竹桿件容許拉應力60 MPa，符合設計要求。

3.3 橋面板計算分析

選擇平面應力單元/板單元應力和一級荷載組合，見圖6，橋面板承受的最大拉應力為σ=1.6 MPa，小于竹桿件容許拉應力60 MPa，符合設計要求。

選擇平面應力單元/板單元應力和二級荷載組合，橋面板承受的最大拉應力為σ=1.7 MPa，低于竹桿件容許拉應力60 MPa，符合設計要求。

4 結束語

作為跨越山澗、河流等為滿足交通需要而架設的建筑物。橋梁與人們的生活密切相關，橋梁結構形式眾多、結構復雜，在橋梁結構設計中應用MAIDAS Civil等有限元分析軟件進行計算分析十分快捷簡便，本文在竹制橋梁結構模型設計中應用MAIDAS Civil軟件，在結構模型設計中具有很好的推廣應用價值。

參考文獻

[1] 邱順冬.橋梁工程軟件midasCivil應用工程實例[M].北京：人民交通出版社，2011.