摘 要

桥梁是公路、铁路等交通运输线路的重要组成部分。在一些大型的高速公路建设工程中，桥梁部分所要经费往往占全部经费的很大一部分。而在整个桥梁建筑过程中，桥墩的建造又处于比较重要的地位。故考虑桥墩安全性问题显得尤为重要，本文正是使用ansys有限元软件建模，研究在考虑流固耦合作用下桥墩安全性分析。具体来说是分析，不同水流流速和不同水流深度对桥墩安全性影响。具体内容如下：

首先，对流固耦合问题的相关理论进行了详细的阐述。包括流体力学和固体力学的相关理论以及理论方程。此外，还介绍了流固耦合的基本方程。

其次，使用ANSYS建立了一个高7.65米的小型桥墩的实体模型，为使模型更加符合真实的受力状况，还对模型进行了配筋。由于钢筋的数量较多，故使用循环命令流，将钢筋单元与混凝土单元进行了耦合处理。

再次，修改模型中的水流深度和水流速度两个参数得到了7×7数据，在进行计算求解。提取计算结果中的，桥墩顶面中心顺流方向的位移值和桥墩混凝土结构最大拉应力值这两个数据值，来分析桥墩的安全性。为了使数据更加直观，本文将数据制成折线图。

最后，分析了不同数据的特征，得出了水流深度和水流速度对桥墩安全性的影响。得出以下结论：在水流深度和水流速度很大时，二者对桥墩安全性（如墩顶位移）是非线性的。水深和流速越大，桥墩安全性降低地越快。

关键词:流固耦合；桥墩安全性；ANSYS；水流冲击力；

Abstract

Bridge is an important part of the road, railway and other transportation lines. In some large-scale highway construction projects, the bridge part of the funds are often accounted for a large part of the total funds. In the whole bridge construction process, the construction of the bridge pier is in a more important position. So it is very important to consider the safety of bridge pier, this paper is using the ANSYS finite element software modeling, research under the consideration of fluid solid coupling effect of bridge pier safety analysis. Specifically, the effects of different flow velocities and different flow depths on the safety of the piers are analyzed.Specific content as follows:

Firstly, the relevant theory of the solid coupling problem is described in detail. Including the theory of fluid mechanics and solid mechanics as well as the theoretical equation. In addition, the basic equations of fluid structure interaction are also introduced.

Secondly, the solid model of a small pier with 7.65 meters high is built by using ANSYS, in order to make the model more in line with the reality of the situation, and also to the model. Because of the large number of reinforcement, the use of circular flow, the reinforcement unit and concrete units were coupled.

Again, the modified model of the water flow depth and velocity of the 7 parameters of two X 7 data, in the calculation of the solution. Extracting and calculating the pier top displacement of the center of the downstream direction value and concrete pier structure of the maximum tensile stress value the two data values, to analyze the safety of the bridge pier. In order to make the data more intuitive, this paper makes the data into a broken line.

Finally, the characteristics of different data were analyzed, and the influence of flow depth and velocity of flow velocity on the safety of bridge piers was analyzed. The following conclusions are drawn: in the depth of the current and the speed of the water flow, the safety of the two (such as the pier top displacement) is nonlinear. The greater the water depth and the flow rate, the faster the safety of the bridge pier.

Key words: fluid structure interaction; bridge pier safety; ANSYS; water flow impact force;

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究目的和意义 1

1.2 流固耦合问题的概述 2

1.2.1 流固耦合动力学问题的特点 2

1.2.2 流固耦合问题研究现状 3

1.2.3流固耦合问题的求解方法 4

1．3 本文的主要工作 5

1.4小结 6

第2章 流固耦合问题基本原理 7

2.1流体力学相关理论及方程 7

2.2固体力学的相关理论及方程 8

2.3流固耦合方程 9

2.4水压力计算 10

2.5小结 11

第3章 有限元知识及ANSYS 12

3.1有限元知识 12

3.1.1有限元分析 12

3.1.2有限元一般解题步骤 13

3.1.3有限元的基本架构 13

3.2有限元分析软件ANSYS 14

3.2.1ANSYS简要介绍 14

3.2.2ANSYS主要处理器及其功能 14

3.2.3ANSYS软件主要功能 15

3.2.4ANSYS流固耦合应用 16

3.3小结 16

第4章 桥墩-水流有限元模型建立 17

4.1流固耦合模型计算的基本假设 17

4.2建模所使用的单元类型 17

4.2.1钢筋单元——link8单元 17

4.2.2混凝土单元——solid45单元 18

4.2.3流体单元——Fluid30单元 19

4.3使用模型的设计资料 20

4.3.1桥墩的勘察设计资料 20

4.3.2桥墩混凝土尺寸 21

4.4建立模型的过程 25

4.5小结 28

第5章计算结果与分析 29

5.1计算结果 29

5.2小结 36

第6章 结论与展望 37

6.1结论 37

6.2展望 37

致谢 39

参考文献 40

第1章 绪论

1.1 研究目的和意义

由于我国地势从东到西逐渐变高，西部的高山常年积雪，因此在广袤的国土上分布有有众多的河流，再加上受到来自太平洋的季风的影响，在夏秋之际常会遇到大量的降水。特别是在秋季，常会遇到台风的影响。河流有利于水上物资的运输，但却阻碍了陆上的交通，为跨越这些河流，就需要建立许多跨河湖桥。而桥墩常年为水中，容易受到水流的破坏，所以需要考虑水流对桥墩安全性的影响。自建立长江上第一座长江大桥，也就是武汉长江大桥，到经过改革开发三十年的发展，桥梁过程不是在建造的规模上，还是在所使用的科技水平上，都位于世界世界先进水平。根据相关的调查资料，从1949年到2012年这63年间，我国已建成公路桥梁70余万座和建成城市桥梁约6万座^[8]。进入新世纪后，随着我国科学技术的长久发展，还有新材料，以及新的施工工艺的不断出现，我国的建造桥梁的技术提高到了一定的水平。

从我国几千年的文明史来看，我国的造桥技术一直处于相对比较领先的地位。比如赵州桥，或者又称为安济桥，该桥位于河北省境内的赵县，这座桥是由我国隋朝隋朝时期的一位著名的工匠李春组织建造，桥的特点是在一座拱桥的腹部加上小拱，这样做不仅减少了建造桥梁所需要的材料，同时减轻了桥梁的自重，还增加了泄洪面积，减小了水流对拱桥的拱腹的冲击力。随着时代的发展，到现在，我国已拥有了修建大跨度桥梁的能力和经济实力。比如在长江上建造桥梁。目前在长江之上己建成的跨江大桥有:重庆长江大桥、武汉长江大桥、南京长江大桥等几十多座，并积累下宝贵的建桥经验^[1]。