1、有限元分析在橋梁檢測中的應(yīng)用摘要：為了避免在橋梁進(jìn)行荷載實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于加載車輛可能對橋梁造成損傷以及可能出現(xiàn)多余的布載情況 的產(chǎn)生，采用有限元分析的方法建模，進(jìn)而模擬各個(gè)分級加載的過程，對加載車輛的加載順序和數(shù)量進(jìn)行 優(yōu)化，導(dǎo)出加載車輛位置的圖形，保證加載過程的安全。關(guān)鍵詞：橋梁檢測；有限元分析；加載順序；APPLICATION OF FINITE ELEMENT ANALYSIS IN THE BRIDGE TESTINGABSTRACT: In order to avoid load test in the bridge, the finite element analysis method

2、 is usedto model the load sequence and number of vehicles, and the load sequence and number of vehicles are optimized.KEY WORDS: bridge testing;finite element analysis;loading sequence1引言道路是一個(gè)影響國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人民生 活幸福甚至國防安全的重要因素，而橋梁在 其中所起到的重要作用是不言而喻的。由 于我國的實(shí)際情況，尤其對于中西部的山區(qū) 來說橋梁的的安全暢通尤為重要。而隨著國 家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)

3、施，這 必將會增加現(xiàn)有橋梁的上的車輛密度，并且 同行車輛的載重也有逐漸增加的趨勢，這些 情況的產(chǎn)生都會對現(xiàn)有的橋梁的安全和穩(wěn) 定造成重大的隱患。這就要求對于橋梁的定 期的檢測有著更高的要求。目前，橋梁檢測 的工作中暴露主要的問題是，對某區(qū)域內(nèi)的 橋梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)時(shí)工作量較大，所需加載 車輛的數(shù)量多，并且荷載試驗(yàn)之前無法對移 動的加載車輛對橋梁的影響進(jìn)行有效的掌 控。采用有限元法的軟件對橋梁進(jìn)行建模， 計(jì)算所需要的加載車輛的數(shù)量，并對加載車 輛在橋梁行進(jìn)的整個(gè)過程中出現(xiàn)的最不利 情況進(jìn)行判斷是否會危害到橋梁的安全。此 方法計(jì)算出的需要的加載車輛的數(shù)量比傳 統(tǒng)的手算所計(jì)算出的加載車輛的數(shù)量在某 些

4、位置更少，這也就起到了對加載車輛數(shù)量 的優(yōu)化，節(jié)省了人力財(cái)力，提升了檢測的效 率。此方法也可用于橋梁驗(yàn)收試驗(yàn)中。2橋梁檢測的意義橋梁檢測的意義和重要性在于對現(xiàn)有 的橋梁的實(shí)際承載能力進(jìn)行檢測，這樣對橋 梁后期的使用以及問題的解決及加固提供 重要的數(shù)據(jù)支持。隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和西 部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，這必將會增加現(xiàn)有橋 梁的上的車輛密度，并且同行車輛的載重也 有逐漸增加的趨勢，由于交通量的增加和一 些重型車輛的增多，如礦山特種車輛、集裝 箱運(yùn)輸車等。這些情況的產(chǎn)生都會對現(xiàn)有的 橋梁的安全和穩(wěn)定造成重大的隱患。并且， 偶然性的重大自然災(zāi)害的作用會對橋梁的 結(jié)構(gòu)造成大的損壞，比如地震、山洪等。這 種

5、情況就需要對橋梁進(jìn)行檢查并且需要對 其實(shí)際的承載力進(jìn)行核定，這也是后期養(yǎng)護(hù) 營運(yùn)的必然要求。通過對橋梁上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量進(jìn)行檢測，通過 對檢測數(shù)據(jù)的整理和分析來確定工程的可 靠度，這將會極大的推動和發(fā)展舊橋的評定 及新結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論；通過對現(xiàn)有橋梁的檢 查，對于一些重要的大橋或特大橋，可在竣 工后對其設(shè)計(jì)方法和施工質(zhì)量進(jìn)行評定，確 定該項(xiàng)工程的可靠度；若是檢測的對象為采 用了一些新型結(jié)構(gòu)的橋梁，可驗(yàn)證理論的實(shí) 踐性和可靠性，通過這樣的過程去發(fā)現(xiàn)其中 暴露出的問題，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，有利于對新型結(jié) 構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)。3有限元分析有限元分析的一些基本的概念，通過對 物體進(jìn)行離散化成小的單元，進(jìn)而分為各種 不

6、同節(jié)點(diǎn)用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行模擬，用一定的數(shù) 量的未知量通過有限元法去近似，有限元是 一種計(jì)算的精度相對較高，同時(shí)對復(fù)雜的問 題形狀邊界條件都能適用，是非常實(shí)用有限 的工程分析方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和 這一計(jì)算方法的優(yōu)點(diǎn)使得在許多實(shí)際問題 中得到運(yùn)用，同樣可以運(yùn)用到橋梁的荷載檢 測的加載車輛的數(shù)量和位置的計(jì)算之中。 3.1工程問題的求解方法通過求解工程實(shí)際問題有兩個(gè)主要的 方法，第一個(gè)是進(jìn)行數(shù)值解的求解，還有通 過對于解析解的求解，這兩個(gè)是比較常用的 解決方法。由于實(shí)際的工程所涉及的問題的 復(fù)雜性，只有極少數(shù)問題可以得到其解析 解，所以解析解法就通過對實(shí)際問題進(jìn)行假 設(shè)，而簡化成簡單的模型，忽略處

7、于次要位 置的影響；數(shù)值解則充分保留了問題的復(fù)雜 性，用ANSYS軟件基于有限元法建立模型， 計(jì)算所采用的模型是對實(shí)際問題的真實(shí)反 映，且真實(shí)解是在以數(shù)值解的計(jì)算結(jié)果為圓 心，誤差為半徑的圓內(nèi)的某一點(diǎn)，這是經(jīng)過 數(shù)學(xué)驗(yàn)證的。數(shù)值解的方法是更為準(zhǔn)確和受 到認(rèn)可的，當(dāng)數(shù)學(xué)得到進(jìn)一步發(fā)展時(shí)，就有 可能獲得準(zhǔn)確值，但現(xiàn)今數(shù)值解的方法也完 全滿足誤差的要求。3.2有限元法的思路有限元的思路主要是通過離散法的運(yùn)用，離 散化主要分為三步，分別是劃分網(wǎng)絡(luò)、荷載 移置、簡化約束。在科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域通常解決 實(shí)際工程問題要通過對各類微分方程進(jìn)行 求解，許多微分方程的解析解通常難以得 到，如果用有限元法通過對微分方程進(jìn)

8、行離 散化后，就可以編制程序，輔助以計(jì)算機(jī)的 強(qiáng)大計(jì)算功能進(jìn)行求解。通過把連續(xù)的求解 域通過有限元的方法離散化，成為一組組以 單元為集合的組合體，通過之前假設(shè)在每個(gè) 單元內(nèi)的近似函數(shù)進(jìn)行分片的表示，求解域 上待求的未知場函數(shù)，用導(dǎo)函數(shù)的數(shù)值函數(shù) 在節(jié)點(diǎn)出的，來表示近似函數(shù)。這樣就能將 連續(xù)的無限自由度問題轉(zhuǎn)換成離散的有限 自由度。3.3有限元法的優(yōu)點(diǎn)有限元法的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在概念淺顯、 容易理解、應(yīng)用廣泛，矩陣表達(dá)易于編程。 其中各個(gè)優(yōu)點(diǎn)主要有各自不同的之處，概念 淺顯，容易理解，是因?yàn)橛邢拊ɑ谥庇^ 的物理解釋并且基于嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析，讓我 們對其計(jì)算的方法有著直觀的理解和認(rèn)識； 應(yīng)用廣泛是因

9、為有限元法適用于多種多樣 的材料，并且不受限于物體的幾何形狀，復(fù) 雜的邊界問題也同樣適用，這就保留了問題 的復(fù)雜型，對各種形狀的實(shí)際問題和邊界問 題都可以通過各種有限元法的軟件進(jìn)行建 立；其中，使得有限元法得到極大運(yùn)用和發(fā) 展的重要原因是有限元法的矩陣表達(dá)，這就 可以通過編程來借助計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大的計(jì)算 能力來求解各種復(fù)雜和大量的計(jì)算，極大的 推動了有限元的發(fā)展。3.4有限元法分析步驟對問題的分析需要分階段和步驟的進(jìn) 行，通過每一步的仔細(xì)分析和檢驗(yàn)計(jì)算，使 得各個(gè)環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的誤差均符合標(biāo)準(zhǔn)，這樣 得出的結(jié)果才是可信的。有限元法的分析的 過程總體上分為三步。第一步建立模型，模型的建立必須是在 對實(shí)際

10、問題理解的基礎(chǔ)之上的，然后根據(jù)實(shí) 際的橋梁的上部結(jié)構(gòu)形式和實(shí)際的環(huán)境和 標(biāo)準(zhǔn)，建立有限元的分析計(jì)算模型，然后輸 入計(jì)算數(shù)據(jù)。在整個(gè)的建模過程中，最重要 也是工作量最大的是對其進(jìn)行離散化，離散 化就是把連續(xù)體的求解域離散化為在計(jì)算 機(jī)中虛擬的面和線，進(jìn)而對整個(gè)工程問題轉(zhuǎn) 化成了在計(jì)算機(jī)虛擬呈現(xiàn)的形式，然后就在 該模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值解的求解，這是個(gè) 在誤差允許范圍內(nèi)的值。除此之外，還需要 進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)形式的處理，各個(gè)單元的性質(zhì) 的定義，將各個(gè)孤立的模型進(jìn)行組合，尤其 是邊界問題的定義。第二步，這一步在整個(gè)有限元的分析中 占有重要的作用，因?yàn)榇诉^程主要的任務(wù)就 是對前期建立的有限元模型進(jìn)行計(jì)算，正

11、是 借助著計(jì)算機(jī)超強(qiáng)的計(jì)算功能，才得以讓有 限元法在解決橋梁檢測的過程中得到發(fā)展， 這一步所需的數(shù)值計(jì)算由有限元軟件在計(jì) 算機(jī)進(jìn)行控制和計(jì)算，這樣的自動計(jì)算極大 的解放了我們的雙手，也是我們手算難以完 成的。第三步的主要任務(wù)是在數(shù)據(jù)處理完成 后進(jìn)行整理也就是后期處理，對通過計(jì)算之 后輸出的結(jié)果進(jìn)行必要的處理，通過CAD成 圖的方式的方式顯示出來，有利于后期對結(jié) 構(gòu)性能進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)進(jìn)行合理性的評估， 并做出相應(yīng)的改進(jìn)和優(yōu)化，這是進(jìn)行有限元 分析在橋梁檢測中最重要的任務(wù)。在整個(gè)分析過程中的關(guān)鍵是建立有限 元模型，因?yàn)橛邢拊Ｐ陀幸韵聨讉€(gè)重要的 作用，首先是提供了以后計(jì)算處理的數(shù)據(jù)基 礎(chǔ)，結(jié)果的精

12、度很大程度上受到原始數(shù)據(jù)的 影響；我們所建立的模型的形式在后續(xù)的處 理中的過程產(chǎn)生影響，建立更加符合實(shí)際情 況的模型能夠提高計(jì)算的精度，并且在第二 步中計(jì)算機(jī)的計(jì)算量也會減少，這樣對計(jì)算 機(jī)性能的要求就相對更容易接受；由于實(shí)際 問題中的復(fù)雜性，和結(jié)構(gòu)的形狀的不確定以 及邊界條件的復(fù)雜性，想要建立一個(gè)和實(shí)際 問題吻合程度較高的模型對于建模人員的 要求也是非常嚴(yán)格的，并且建模所花費(fèi)的時(shí) 間在整個(gè)分析中占到一半以上。4問題和思考在橋梁進(jìn)行驗(yàn)收和檢測而需要進(jìn)行荷 載試驗(yàn)時(shí)，關(guān)于加載車輛的數(shù)量、順序、位 置，以及在加載車輛的布置過程中對橋梁安 全性的影響等問題，現(xiàn)在我們確定這些主要 通過手算的方法和一些

13、傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法。然 而隨著橋梁的跨徑的不斷增加，新型結(jié)構(gòu)橋 梁的陸續(xù)建設(shè)，這些都對于傳統(tǒng)的方法提出 了更高的要求。這就要求我們對于這些測試 的方法尋找一個(gè)更為準(zhǔn)確、科學(xué)，有依據(jù)的 計(jì)算方法來對加載車輛數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化，加載 車輛位置精確的確定，以及能夠形象模擬各 個(gè)加載車輛在陸續(xù)的行進(jìn)到加載位置時(shí)對 橋梁可能產(chǎn)生的最不利情況，來判斷橋梁是 否安全。如果不能對存在危險(xiǎn)隱患的情況提 前預(yù)測，將會造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至可 能造成人員的傷亡。因?yàn)槲覀円?yàn)收和檢測 的就是一個(gè)可能存在安全隱患的結(jié)構(gòu)，當(dāng)加 載車輛在橋梁結(jié)構(gòu)上面是非常危險(xiǎn)的，所以 需要一個(gè)能夠形象模擬整個(gè)加載過程，對危 險(xiǎn)提前預(yù)知安全可靠的方

14、法。解決這類問題可以通過ANSYS軟件運(yùn)用 有限元法建立待檢測驗(yàn)收橋梁的模型，模型 的建立要充分考慮各種因素的影響，模型的 建立是整個(gè)工作中最重要的，同時(shí)是工作量 最大，所以對建模人員的要求也很嚴(yán)格。模 型可以通過MIDAS來建立，然后通過技術(shù)手 段運(yùn)用到有限元軟件的分析中，計(jì)算出的數(shù) 據(jù)比如撓度、彎矩影響線可以直接顯示，并 可以手動對加載車輛的位置進(jìn)行控制和拖 動，就可以真實(shí)的演示加載車輛在行進(jìn)到計(jì) 算的加載位置過程中橋梁的撓度、彎矩和應(yīng) 力的變化，對加載車輛和駕駛?cè)说陌踩?，?梁的穩(wěn)定提供保障。經(jīng)過這種通過建立有限 元模型計(jì)算出所需加載車輛的數(shù)量，相比于 傳統(tǒng)的依據(jù)經(jīng)驗(yàn)手算出的所需加載車輛

15、的 數(shù)量在某些特殊位置有所減少。這也起到了 對加載車輛數(shù)量的優(yōu)化。5結(jié)語本文主要介紹了我國橋梁的重要作用 和橋梁檢測的方法意義，有限元法在解決工 程實(shí)際問題的基本原理，通過對有限元法在 橋梁檢測中如何對荷載實(shí)驗(yàn)時(shí)加載車輛數(shù) 量和位置的優(yōu)化，和整個(gè)加載過程橋梁安全 性的監(jiān)控和評估，提出了一種有別于依據(jù)經(jīng) 驗(yàn)手算的檢測方法。有利于提高橋梁檢測的 效率，減少不必要的人力物力的投入，保證 檢測過程的安全。參考文獻(xiàn)(References)：姚玲森.橋梁工程M.第二版.北京：人民交通出版社.2008.沈養(yǎng)中，李桐棟.工程結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算.北京：科學(xué)出版 社.2001陳長征，羅躍綱，白秉三等.結(jié)構(gòu)損傷檢測與智

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