整橋的案例
基于LS-DYNA雙塔懸索橋吊纜斷裂引起整橋坍塌傾覆動力學仿真
基于LS-DYNA雙塔懸索橋吊纜斷裂引起整橋坍塌傾覆動力學仿真
葉小軍
摘 要:懸索橋的主纜通過索塔固于兩端，對主梁施加巨大的水平分力，如果支撐主梁的吊索發生斷裂，可能導致主梁破壞,進而導致橋梁整體垮塌。隨著使用時間的增長，吊索因腐蝕而承載力降低，可能發生突然斷裂，使結構發生劇烈振動，導致結構內力變化較大，危及橋梁安全。
關鍵詞: 懸索橋 吊纜斷裂 傾覆
一、仿真背景
本仿真以一座主跨750米的混凝土雙塔懸索橋為研究背景，利用動力分析方法,采用空間有限元模型，研究了單側少量吊索突然斷裂對結構受力的影響。仿真表明：懸索橋吊索斷裂對相鄰吊索的拉力、主梁豎向彎矩、主梁扭矩、索塔順橋向彎矩、支座反力影響很大。單側相鄰三根吊索相繼斷裂,會使相鄰其他吊索的拉力達到初始拉力的3.0倍以上，如果設計采用的吊索安全系數較低,或吊索出現普遍腐蝕,單側相鄰三根吊索斷裂會導致橋梁整體垮塌。
二、前處理
1、單元特性
使用了三維桿單元(LINKl60)、三維梁單元(BEAMl61)，可在單元中施加預應力。
2、材料特性
LS-DYNA程序中有200多種不同的材料模型，可用來模擬各類實際的工程材料，本仿真主要用混凝土和JH材料，并考慮材料的失效。
3、建模型
全橋模型構件多，過程復雜，主要考慮運用APDL建模
4、網格劃分
分主纜、吊纜、橋塔，桁架等部分,共30個PART。
展開 世界最大跨度雙層公路懸索橋主跨首個整節鋼梁架設成功
11月15日，隨著兩臺纜載吊機將長36米、寬 32.5米、高10米的鋼梁提升到指定高度，由中鐵大橋院設計、中鐵大橋局施工的武漢楊泗港長江大橋主跨首個整節鋼梁架設成功，這標志著世界最大跨度雙層公路懸索橋建設取得突破性進展。
一段視頻欣賞大橋架梁時的壯觀景象
大橋鋼梁將由跨中向兩側對稱架設，最后在兩側合龍。楊泗港長江大橋主梁為全焊接鋼桁梁結構，采用整體節段進行吊裝。雙層公路的節段鋼梁在工廠通過焊接拼裝成一個整體節段后，由船舶運輸至施工現場，再使用纜載吊機進行提升安裝。
此次吊裝的鋼梁節段重達1000噸，相當于約200頭成年大象的重量。懸索橋“千噸級”鋼梁的整體安裝在國內尚屬首次。
為確?！扒嵓墶变摿旱捻樌茉O，中鐵大橋局研制了國內起重能力最大的纜載吊機——LZD900型纜載吊機，全橋鋼梁將采用4臺纜載吊機進行吊裝，每臺纜載吊機起重能力為900噸。纜載吊機自重約300噸，需在240米的高空分三段進行拼裝，吊機自重大，高空安裝難度大、精度要求高。
在鋼梁的提升過程中，中鐵大橋局對鋼梁的位移和提升拉力進行了監測，并實時進行調整，以保證鋼梁平穩安全地提升。鋼梁安裝過程中空中對接難度很大，對線型要求非常高。為保證鋼梁之間的精確連接，每個節段鋼梁之間的連接需采用4個連接件。
展開 科技研發和工藝優化助力“柳州新月”，官塘大橋通車創多個“世界第一”
11月28日
一座剛剛建成通車的大橋
刷爆網絡
廣西柳州官塘大橋
大橋橫跨柳江
水中不設橋墩
跨度達457米
整橋主線全長1155.5米
橋面由148根吊索與上方的兩條拱座相連
是世界最大跨度的有推力提籃式鋼箱拱橋
施工單位：中鐵上海工程局
?圖片來源：新華社官網
大橋通車時遇上了
柳州出名的自然美景之一平流霧
江上霧氣彌漫
霧鎖大橋有如仙境
官塘大橋跨柳江鏈接東西兩岸
在朝陽的映襯下
大橋更像是融入自然的美景
在霧氣中若影若現的輪廓
更顯它的宏偉壯觀
?圖片來源：新華社官網
官塘大橋位于廣西柳州市柳東新區，是柳州市第21座跨江大橋，規劃為一座城市快速路大橋，設計時速達80公里/小時，設雙向6車道，跨徑457米，主橋為中承式鋼箱拱橋，結構體系為有推力提籃式拱橋。
大橋建成后將成為世界第一大跨度有推力鋼箱拱橋、世界第九大跨度鋼箱拱橋。
官塘大橋主橋一跨過江，因其巨大的鋼拱肋形似彎月，因此也被稱作“柳江新月”。官塘大橋主橋跨度達457米，整橋主線全長1155.5米，橋面由148根吊索與上方的兩條拱座相連。為滿足河道通航需要，水中未設橋墩，其橋梁的承重全部集中于兩岸的拱座上，每個拱座要分別承受高達17500噸的水平推力，約等于目前世界上最大型火箭升空所需要的起飛推力的5倍。大橋的特殊設計使建設難度大大增加。
展開 Catia在波紋鋼腹板組合梁深化設計中的應用
模型中的腹板
腹板俯視圖
腹板展開圖
三、批量化出圖
因為整座橋梁的圖紙較多，在橫坡不變的情況下，每跨的圖紙大概有50多張，若考慮超高變化的部分橋梁，整座橋的圖紙多達1000張左右，如此龐大數量的圖紙若挨個進行手工出圖是非常繁瑣與不經濟的。借助于CATIA的知識工程模塊不僅可以對橋梁進行批量化的建模，而且還可以批量化的生成大部分圖紙，圖紙中的標注、編號等信息都可以自適應的變化，減少了設計人員的工作，提高了生產效率。
整橋模型
軟件界面的出圖
四、模型中尺寸的提取
BIM是Building Information Modeling的縮寫，即建筑信息模型，在該模型中包含了該建筑結構的信息。這些信息的是用于指導工程實踐的，這樣才能體現BIM的價值。對于該橋梁而已，需要提取各個板件的尺寸信息，用于板件的采購與加工，最后在現場拼裝成整個橋梁結構。在CAITA軟件中，可以通過編寫相應的程序來提取出需要的尺寸信息。
展開 
基于SiPESC.OPT的懸索橋優化設計
研究背景及意義
懸索橋作為大跨度橋梁結構最適當的形式，由于其美觀的外形，合理的受力，便捷的施工，在超1000m跨徑的橋梁結構中，懸索橋幾乎是唯一可選用的橋型，在工程橋梁中占據很重要的地位。懸索橋是一種很復雜的橋梁形式，在懸索橋的強度設計中，材料、形狀、尺寸、詳細結構等必須最后被確定，這些參數的確定，過去主要靠設計人員的經驗及參考已有的設計實例，設計是否最優，缺乏理論上的根據。而現在基于SiPESC.OPT對懸索橋結構進行優化設計
算例演示
以某懸索橋為例，該懸索橋的初始模型如下圖1，進行優化設計。
首先是初步優化，之后進行精確優化。
初步優化我們選取吊桿間距a、邊跨長度L1、吊桿個數作為設計變量，由于中跨長度不變，所以吊桿間距a、邊跨長度L1又由邊跨吊桿個數n，半中跨吊桿個數m相關，因此初步優化選取m、n作為設計變量，在滿足幾何、應力、變形約束的前提下，以整橋造價最經濟為目標。
展開 ansys仿真分析-梁懸臂施工
接下來是ansys箱梁懸臂施工仿真分析的模型,跨度不大,45+80+45,考慮到三向預應力鋼筋,剛開始用面切割體來做鋼筋,做出來的模型實在是太大,0號塊就有10萬個自由度,做整橋的施工分析就不行了,下面是做的一個簡化的模型,具體如下:
1:用SOLID65來做混凝土,LINK8來模擬三向預應力筋.
2:建立特征截面,把箱梁簡化成幾個參數,通過循環生成整橋
3:劃分特征截面的單元,控制網格的生成,通過掃掠來橋梁的有限元模型
4:考慮在特征截面上的接點固定鋼筋,循環生成各施工段的鋼筋.
以下是命令流,請各位老師指教
fini
/clear
/prep7
/title,BRIDGE DAM SIMULATION,DEVELOPED BY YIFEICHONGTIAN
ET,1,SOLID65
ET,2,LINK8
MP,PRXY,1,0.1667
MP,DENS,1,2600
MP,EX,1,3.5E10
MP,EX,2,1.95E11
MP,DENS,2,7800
MP,PRXY,2,0.3
!預應力鋼筋的特性
!縱向鋼筋,直徑15.24mm,標準強度1860MPA，單根張拉控制噸位195.5kN
areagjx=1.81e-4 !縱向，橫向單根鋼筋面積
areahgjx=8.038e-4 !
展開 懸帶橋的演變！美嗎？
最近有粉絲問我：有這樣一座橋，與傳統意義的橋大相徑庭，他有橋拱，卻是向下凹了進去。這座反其道而行之的“叛逆”的橋，到底是啥受力機理呢？針對這種類型的橋，我最先想到了湖南那座陶金橋，網上有人戲稱“當年施工員把圖紙拿反了而造成了這種橋型”的，當然這只是玩笑話。
據相關資料表明，該橋長74m，設計跨徑70m，矢跨比1/9，橋面寬4.5m，下面整齊排列著一些立柱排架，底端是一條用混凝土吊板包裹的懸帶，里面隱藏著48根只有5mm粗但強度極高的預應力拉索。這種橋叫做自錨上承式懸帶橋。
這種上承式懸帶橋是上個年代國外出現的一種新型公路橋梁結構。眾所周知懸索橋的原理是將兩根粗壯的鋼索固定在兩岸橋墩上，然后從鋼索上垂下小鋼索固定住橋面，由主鋼索承受整座大橋的重力，而淘金橋的受力與此類似，只不過它的承力結構位于橋面下方，并且換成了鋼筋混凝土，行車荷載由橋面系通過立柱排架傳遞給主索。
什么是懸帶橋呢？由于主索是由混凝土包裹形成的一帶狀, 形如懸帶, 所以又稱“懸帶橋” , 國內外也有稱“ 倒懸索橋” 、“ 反向吊橋” 。因橋面在懸帶上面, 故稱“上承式懸帶橋”。主索的錨固方式可分外錨和自錨, 國外建成的實橋均為外錨, 唯獨我國淘金大橋為自錨, 所以稱“自錨上承式鋼筋混凝土懸帶橋” 。
受力特性是什么呢？這種橋主索懸帶是主受力構件，整橋的豎向荷載由預應力索承擔，也充分發揮了鋼材的抗拉能力;橋面梁板結構既用于通車，又作為受壓構件平衡拱的水平力，也充分發揮了混凝土的抗壓能力；中間的主柱排架作為次結構，以減少跨度——整個結構自身錨固平衡，所有材料無一點浪費。
他的優點是什么呢？這里把它和拱橋相對比。
展開 橋梁技術|分享一些橋梁墩臺結構選型，還不來看！
橋梁的下部結構，橋墩、橋臺等的形式選取與整橋設計相統一，也要滿足安全、適用、耐久、經濟、美觀等要求。另外，橋梁墩臺結構形式的選取與現場的使用環境息息相關，同時，橋梁墩臺還會經常性的受到各種動力荷載的作用，這對保證橋梁結構安全耐久提出更高的要求。所有這些都要求設計者具備深厚的理論功底與豐富的實踐經驗，同時又要有相當的洞察力與創新精神，保證橋墩、橋臺的設計質量及使用效果，使其選擇與布設能夠更加經濟合理。
文章來源：橋梁堡
某車型傳動系沖擊噪聲問題分析
2.2 試驗條件
為保證數據真實有效，便于后期數據分析，兩根橋的傳感器放置位置相同。數據測試時在半消聲室內，2 m內無音波障礙物，無其它干擾異響。
主要測點位置：1）麥克風位于車橋橋包中心正后方300 mm;2）振動傳感器貼于車橋橋殼正上方平面處。
傳感器采用振動加速度傳感器，測試穩定性較好。因齒輪沖擊能量通過齒輪傳遞至軸承及減速器殼體，再通過橋殼傳遞至車架，因此測點位置放置在橋殼位置可以更精準的評價測試結果。測試臺架如圖2所示。
圖2 測試臺架
3 試驗數據分析
3.1 不同齒側間隙的對比分析驗證
為模擬整車松踩油門瞬間的驅動橋主減速器沖擊噪聲，1）臺架設定初始狀態為反拖工況，輸入扭矩為-200 Nm，車速為10 km/h;2)2 s內切換為正車驅動工況，輸入扭矩為1 500 Nm。評價整橋振動結果如圖3所示。
圖3 動橋振動時域圖
根據圖3測試數據可知，在油溫40℃下，車橋A的沖擊能量為1.36g；車橋B的沖擊能量約2.10g。
3.2 不同溫度下撞響聲對比
測試工況同小節1，對比油溫40℃及70℃時，車橋主減速器齒面切換時撞擊振動能量，測試數據如圖4所示。
圖4 驅動橋振動時域圖
根據圖4測試數據可知，70℃油溫下沖擊能量（2.31g）明顯大于40℃油溫下的沖擊能量（1.36g）。
3.3 不同黏度齒輪油撞響聲對比
測試工況同小節1，對比不同黏度齒輪油撞響聲對比。齒輪油型號分別為85W-90、85W-140測試數據如圖5所示。
圖5 驅動橋振動時域圖
車橋A加注的齒輪油為85W-90，更換85W-140齒輪油后，沖擊能量明顯增加，由1.3g增大至2.2g。
展開 CAE仿真技術在軌道交通上的典型應用
鋼軌、扣件和軌枕系統的有限元模型和橫向位移云圖
2）鐵路橋梁結構分析和施工過程仿真
鐵路列車除了奔馳在平坦的平原地區以外，還需跨越江河溝壑。承載列車跨江越河的是建在橋梁上的鐵路線路。驗證橋梁整體結構的安全和穩定性，施工過程中橋梁的安全和穩定性，包括考慮預應力、混凝土徐變、移動荷載等問題以及分階段施工仿真是橋梁結構分析的難點。橋梁的整橋靜力分析、動力學分析、抗震分析以及車——橋耦合動力學分析也是需要考慮的重點。
武漢大學土木建筑工程學院利用ANSYS對某大跨度鋼結構拱橋進行強度和屈曲仿真分析的有限元模型和軸力計算結果。經過計算分析，發現某些桿件（紅顏色桿件）不滿足設計要求，需要重新設計。
某大跨度鋼結構拱橋的有限元模型和軸力計算結果
3）鐵路隧道、涵洞和其他地下建筑的結構分析和施工過程仿真
隧道是鐵路和公路穿越山體的主要方式，也是地下鐵路的主要結構形式。涵洞是為方便人員和溝渠穿過鐵路路堤修建的結構物。在隧道、涵洞以及其他地下結構的開挖施工中，開挖洞室周圍的圍巖和土壤結構會隨著掘進的進程發生變形和應力再分布，甚至導致坍塌事故，危及施工人員和裝備的安全。施工過程的圍巖變形和應力分析、施工初期對圍巖的錨固和軟支護結構的結構分析和安全驗證，以及最終的襯砌結構的安全性分析，是隧道設計中主要的CAE應用。
重慶后勤工程學院土木工程系采用ANSYS分析了偏壓連拱隧道的開挖過程。
依左先右后、右先左后順序開挖及同時開挖時隧道連拱的塑性應變分布云圖
4）鐵路地面建筑物的結構仿真分析
鐵路的建筑物與通常的建筑物一樣，建筑物和基礎的承載能力、結構穩定性、振動和抗震特性等指標計算和驗證是建筑物結構安全設計的基礎。風荷載是建筑物承受的重要荷載。
展開 軌道交通上CAE仿真技術的應用有那些
鋼軌、扣件和軌枕系統的有限元模型和橫向位移云圖
2）鐵路橋梁結構分析和施工過程仿真
鐵路列車除了奔馳在平坦的平原地區以外，還需跨越江河溝壑。承載列車跨江越河的是建在橋梁上的鐵路線路。驗證橋梁整體結構的安全和穩定性，施工過程中橋梁的安全和穩定性，包括考慮預應力、混凝土徐變、移動荷載等問題以及分階段施工仿真是橋梁結構分析的難點。橋梁的整橋靜力分析、動力學分析、抗震分析以及車——橋耦合動力學分析也是需要考慮的重點。
武漢大學土木建筑工程學院利用ANSYS對某大跨度鋼結構拱橋進行強度和屈曲仿真分析的有限元模型和軸力計算結果。經過計算分析，發現某些桿件（紅顏色桿件）不滿足設計要求，需要重新設計。
某大跨度鋼結構拱橋的有限元模型和軸力計算結果
3）鐵路隧道、涵洞和其他地下建筑的結構分析和施工過程仿真
隧道是鐵路和公路穿越山體的主要方式，也是地下鐵路的主要結構形式。涵洞是為方便人員和溝渠穿過鐵路路堤修建的結構物。在隧道、涵洞以及其他地下結構的開挖施工中，開挖洞室周圍的圍巖和土壤結構會隨著掘進的進程發生變形和應力再分布，甚至導致坍塌事故，危及施工人員和裝備的安全。施工過程的圍巖變形和應力分析、施工初期對圍巖的錨固和軟支護結構的結構分析和安全驗證，以及最終的襯砌結構的安全性分析，是隧道設計中主要的CAE應用。
重慶后勤工程學院土木工程系采用ANSYS分析了偏壓連拱隧道的開挖過程。
依左先右后、右先左后順序開挖及同時開挖時隧道連拱的塑性應變分布云圖
4）鐵路地面建筑物的結構仿真分析
鐵路的建筑物與通常的建筑物一樣，建筑物和基礎的承載能力、結構穩定性、振動和抗震特性等指標計算和驗證是建筑物結構安全設計的基礎。風荷載是建筑物承受的重要荷載。
展開 
古老的趙州橋，為何采用拱形結構？古中國人具備樸素的力學思想
趙州橋被譽為世界上現存最古老的一座石拱橋，它歷經一千四百多年仍屹立不倒。但是，實際上，除了跨越千年的愛情，跨越千年的石頭也敵不住歲月的摧殘，石頭會風化，最終變成塵埃。
破損的老趙州橋（梁思成拍攝）
修復后的趙州橋已經失去了原有的樣貌
趙州橋的結構
對于古代技術而言，趙州橋是個大跨度橋梁，除了兩側外，沒有其他橋墩。古趙州橋都是用石頭堆疊而成，細節如下圖。
局部細節
為了加固，石頭與石頭之間用腰鐵連接。整座橋里的石頭，會在自重的作用下，互相擠壓，所有的石頭受到的都是擠壓力。
拱形的力學原理
正是由于拱橋的石頭受到的都是擠壓力，才讓趙州橋能夠跨越千年。因為，大多數材料，包括石頭，其抗壓性能要遠好于抗拉性能。通俗點說，材料拉的話容易壞，但是壓的話不容易壞。下圖是低碳鋼和鑄鐵的拉壓比較。
低糖拉壓比較
鑄鐵拉壓比較
圖中明顯看出，壓縮的力要比拉伸的力大很多。特別是低碳鋼，由于是韌性材料，是沒辦法壓壞的，只會越壓越扁。從承受力來講，低碳鋼的承受能力可以無窮大。實際上當然并不可能。特別是對于結構而言，發生塑性變形就認為失效了，塑性變形的應力與拉伸一致。
鑄鐵（左）和低碳鋼（右）的壓縮
總結
跨越千年的愛戀，來到了趙州橋的身邊。然而物非人更非，由于石頭的風化，修復后的趙州橋再也不是原來的那個趙州橋。盡管如此，古趙州橋依然屹立了一千多年，見證了千年的愛戀。它之所以屹立不倒千年，就是因為采用了擠壓的拱形結構，充分利用了石頭的受壓性能。
展開 基于Ansys Topology Optimization 橋梁拓撲優化實例 ￥10
四、結果：優化后整座橋的質量原原設計的27.5%(橋面未參與優化，仍計算重量)，變形由1.73e-7增大到3.136e-7。
鋼結構橋梁加工新技術——六景大橋 “置換法”施工
在六景郁江特大橋（舊橋）施工現場看到，4臺吊車分別?？吭诖髽騼啥松?，整座橋的橋面已經被“拆開”，一根被拆除下來的橋面橫梁已被“放置”在橋下大船上，正在進行“切割”，橋面橫梁原有位置上被重新放置了鋼結構新橫梁。施工人員有的在固定新的橫梁，有的在進行安裝新的橋面板，還有的在吊車的配合下安裝橋梁新吊桿。
“置換法”更換橋面橫梁，不僅提高了施工安全，也大大提升了工程進度。目前，該橋的加固工程已完成60%，按計劃原有六景郁江特大橋加固工程將力爭在 10 月底建成，屆時六景東到那容路段也將在 10 月底通車。
（來源：廣西景典鋼構）
展開 清華丨新型分布式驅動液氫燃料電池重型商用車設計、分析與驗證
圖11 電動輪的效率MAP 圖
2.2 電驅動橋設計
基于該電動輪，考慮載荷、性能和裝配等因素，開發了雙輪并裝的輪邊驅動電動輪的驅動橋方案［32］，并引入轉矩矢量分配控制，保證低速轉向輕便與高速穩定性控制，提高整車經濟性與安全性。驅動橋控制器采用TC275 三核MCU，一個單片機可以同時控制驅動橋的左右兩臺電動輪輪轂電機。驅動橋如圖12所示。
圖12 雙輪并裝驅動橋方案
圖13為所開發的電動輪與當前已發布的產品級電動輪的對比，可見采用新構型+匹配優化+油冷的設計方案取得了更高的驅動轉矩與更輕的單橋質量，當前整橋質量已和傳統集中驅動相當，有效解決了簧下質量問題。考慮到上述基于電動輪的分布式電驅動系統的直驅優勢，系統的驅動效率比集中驅動還能進一步提升近10%，使其在性能和成本上均具有優勢。
圖13 電驅動橋方案對比
3 儲氫與燃料電池系統設計
3.1 燃料電池系統
重載商用車功率需求大，根據上述系統參數設計，35 t 級載貨車80 km/h 的巡航平均功率可達84.57 kW 以上，49 t級牽引車90 km/h的巡航平均功率可達128.07 kW 以上。但在本文開展動力系統設計階段，國內尚無100 kW 燃料電池系統，給技術開發帶來了極大的挑戰。
圍繞100 kW 燃料電池研發目標，本文團隊通過和國內產業鏈企業聯合技術攻關，逐一解決了空壓機、循環泵和冷卻水泵等大功率燃料電池零部件空白難題，開發了國內首個上公告的大功率燃料電池系統，如圖14和圖15所示；在此基礎上，近兩年進一步完成了全球首臺單系統240 kW 燃料電池系統開發，如圖16 所示。兩代燃料電池系統基本性能參數如表7所示。
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