算例分享：路桥工程施工防护承重结构分析

本文给出一个路桥工程施工防护承重结构的分析实例。

如下图所示为某路桥施工防护结构中的一个承重桁架。在城市立交桥等市政工程的修建过程中，桥下施工防护经常采用多榀这类型桁架结构来承重。图中两榀钢桁架通过角钢横撑连接，形成一个组合的空间钢桁架。

在分析过程中，所有弦杆（上、下弦）、端部的竖杆以及横向撑杆均采用BEAM188单元来模拟，除端竖杆之外的所有斜腹杆均采用桁架单元LINK180来模拟。结构的杆件类型编号及所需型钢截面类型、材料设计参数见表1所示。

表1  型钢材料表

由于桁架的上下弦为双角钢组合截面，而在Mechanical APDL中提供的标准梁截面库中没有这种现成的截面，因此需使用自定义截面功能建立截面文件。定义双角钢截面的命令流如下。

!第1步：进入前处理器

/prep7                                        !进入前处理器

!第2步：定义辅助单元类型

Et,1,mesh200                            

!第3步：设置Mesh200选项

keyopt,1,1,7                              

!第4步：建立截面关键点

k,1,24,,,                      !创建构成角钢截面的关键点

k,2,99,,,                   

k,3,99,8,,

k,4,32,8

k,5,32,75

k,6,24,75

!第5步：建立两个L形面

a,1,2,3,4,5,6                               !创建角钢面

arsym,x,all                                 !角钢面关于YZ面镜像

!第6步：划分截面网格

aesize,all,20                               !指定划分面网格的尺寸

amesh,all                                    !划分面网格

!第7步：写梁截面文件

secwrite,DLA,sect                      !写入截面文件

!第8步：退出前处理器

finish

!第9步：清除数据库

/clear

上述命令执行后，用户自定义截面完成，截面信息写入工作目录下的DLA.SECT文件中，此截面文件即可在后续的结构分析中引用。创建截面的过程中采用了Mesh200单元对面划分截面网格，计算中按照截面网格信息来计算截面积、惯性矩以及形心、剪心坐标等几何量。MESH200单元的K1选择了QUAD 8-NODE选项，这是由BEAM18X的截面积分算法所决定的，可参考单元手册中BEAM18X相关的内容。下图为通过SECPLOT显示的截面信息。

采用N-mm-t单位系统进行结构建模、加载及计算，密度的协调单位是t/mm³。

桁架底部搁置在钢梁上，分析中采用铰接约束，左端底部两个脚点施加X、Y、Z三个方向的约束，右端底部两脚点施加Y、Z两个方向的约束。在计算中考虑两种荷载工况：.桁架结构的自重、.上部活荷载传至桁架节点的集中力。对两个工况分别采用不同的载荷步进行求解，然后在通用后处理器中对其进行荷载工况的组合计算。操作采用附件命令流完成，建模完成后打开截面尺寸显示，对模型进行放大并调整到合适的视图方位，可得到如下图所示的显示效果。建模以及计算的详细命令流请参考附件。

求解完成后， 可查看各工况的计算结果。比如结构在工况2作用下桁架结构的变形等值线如下图所示（调整视图方向到合适角度并放大变形比例）。

按1.2×恒定荷载+1.4×活荷载来指定工况组合系数并进行工况组合计算。执行工况组合后得到的结构轴力图如下图所示。通过此轴力图可以看到，不论上弦还是下弦，整个结构的轴力图分布都呈现中间大两头小的分布形状，实际上这也是均布载荷作用下简支梁的弯矩图的形状。由于整个简支桁架结构整体受力特点如同一根梁，而此梁的弯矩主要由上下弦杆的拉力和压力来提供，这也从另一角度证实计算结果的正确性。此外，轴力图显示STEP=9999，这表示组合后的结果。Mechanical APDL工况组合之后的结果在列表或图形显示时正是以序号9999来标识的。