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基于ANSYS的斜拉桥施工模拟分析陈燚华【摘要】根据斜拉桥的结构受力特点以及施工过程控制需要,基于有限元软件ANSYS,编制命令流程序建立了空间三维梁杆单元模型.通过杀死和激活单元的方法,有效地模拟出每个施工阶段的结构内力和位移变化,再将模拟结果与MIDAS/CIVIL 计算结果进行对比来验证模拟方法的合理性和正确性,为斜拉桥的设计和施工控制提供了理论依据.【期刊名称】《建筑施工》【年(卷),期】2016(038)007【总页数】2页(P975-976)【关键词】ANSYS;斜拉桥;施工模拟;生死单元法【作者】陈燚华【作者单位】上海建工集团有限公司上海200080【正文语种】中文【中图分类】TU9970 引言斜拉桥是一种结构轻盈、跨越能力大、施工简便的桥梁形式，属于高次超静定的柔性结构，随着跨径的增大，恒载内力状态的多样性以及结构状态的非线性会越来越显著。
鉴于斜拉桥施工过程和成桥状态的相关性，尤其在施工阶段结构体系不断转换的过程中，结构的内力和位移变化更加复杂，因此模拟分析斜拉桥的施工过程与控制成为了目前研究领域的热点研究课题[1]。
在学习和总结前人研究工作的基础上，运用有限元软件ANSYS参数化设计语言（ANSYS Parametric Design Language，简称APDL）建立空间三维梁杆单元计算模型，对某斜拉桥施工过程进行模拟，并与有限元软件MIDAS/CIVIL计算结果[2]进行对比，用以校正模拟结果的合理性和准确性。
1 斜拉桥施工过程模拟1.1 基本原理斜拉桥作为高次超静定结构，其结构计算是比较复杂的。
鉴于斜拉索是斜拉桥的主要承重构件，斜拉索索力可以看作是作用在主梁或主塔上的集中力，把主梁或主塔单独取出，可以看作有多个集中力作用的连续梁或悬臂梁，由此可以找出斜拉索索力与主梁内力之间的关系[3]。
首先假定定义二者之间的关系为如式（1）所示。
式中：F——斜拉桥主梁或主塔的内力矩阵；T——多个斜拉索的索力矩阵；D——索力与主梁内力之间的关系矩阵。
斜拉桥ansys建模/com,new model of linjia ng cable_stayed bridge,2004.2.09/prep7/title, cable_stayed bridge,author is Sunhang/com,defi ne the keypo ints*set,alfa1,10 !an gle of tower upside*set,alfa2,65 !an gle of tower dow nside*set,alfa3,79.04594 !an gle of tower with bridge surface*set,y1,55.5 !桥塔顶面到原点的距离*set,y2,33.5 !桥塔中部的Y轴向长度*set,pi,3.1415926*set,x3,y2/tan(alfa2*pi/180) !桥塔中部的X 轴向长度*set,x2,(y1-y2)*tan(alfa1*pi/180) !桥塔上部的X 轴向长度*set,x1,x2+x3 !桥塔的X轴向长度*set,kp_yy1,0 !定义桥塔上部的索锚固点竖向距离(从塔顶算起) *set,kp_yy2,2.5185*set,kp_yy3,3.5788*set,kp_yy4,4.6469*set,kp_yy5,5.7248*set,kp_yy6,6.8151*set,kp_yy7,7.9211*set,kp_yy8,9.0479*set,kp_yy9,10.2027*set,kp_yy10,11.3965*set,kp_yy11,12.6470*set,kp_yy12,13.9848*set,kp_yy13,15.7143*set,kp_yy14,17.7041*set,kp_yy15,22.0000k,1,-x1,y1,k,6,-x1+kp_yy2*ta n(alfa1*pi/180),y1-kp_yy2k,8,-x1+kp_yy3*ta n(alfa1*pi/180),y1-kp_yy3k,10,-x1+kp_yy4*ta n(alfa1*pi/180),y1-kp_yy4k,12,-x1+kp_yy5*ta n(alfa1*pi/180),y1-kp_yy5k,14,-x1+kp_yy6*ta n(alfa1*pi/180),y1-kp_yy6k,16,-x1+kp_yy7*ta n(alfa1*pi/180),y1-kp_yy7k,18,-x1+kp_yy8*ta n(alfa1*pi/180),y1-kp_yy8k,20,-x1+kp_yy9*ta n(alfa1*pi/180),y1-kp_yy9k,22,-x1+kp_yy10*ta n(alfa1*pi/180),y1-kp_yy10k,24,-x1+kp_yy11*ta n(alfa1*pi/180),y1-kp_yy11k,26,-x1+kp_yy12*ta n(alfa1*pi/180),y1-kp_yy12k,28,-x1+kp_yy13*ta n(alfa1*pi/180),y1-kp_yy13k,30,-x1+kp_yy14*ta n(alfa1*pi/180),y1-kp_yy14k,38,-x1+kp_yy15*ta n(alfa1*pi/180),y1-kp_yy15kfill,1,6 !在已建关键点内内插关键点kfill,6,8kfill,8,10kfill,10,12kfill,12,14kfill,14,16kfill,16,18kfill,18,20kfill,20,22kfill,22,24kfill,24,26kfill,26,28kfill,28,30kfill,30,38*set,kp_numone,38!定义桥塔上部的最后一个关键点号/com,defi ne and mesh the above part of tower*dim,BBS,,40*dim,HHS,,40*dim,SSS,,40*dim,IIYYS,,40*dim,IIZZS,,40*set,le ngth1,2.9546108*set,le ngth2,4.9251168*set,width1,3*set,width2,5*set,diff1_le ngth,le ngth2-le ngth1 !桥塔上部两个截面的长度之差(纵桥向) *set,diff1_width,width2-width1 !桥塔上部两个截面的宽度之差(横桥向)*dim,yy,,40 !定义桥塔上部的关键点竖向距离数组(从塔顶计算)llyyS(i)=HHS(i)†BBS(i)‡3/12*enddo*do,i,1,kp_ numon e-1et,i,beam44keyopt,i,9,0mp,ex,i,3.5e10mp,prxy,i,0.167mp,de ns,i,2.6e3mp,alpx,i,1e-05 !定义混凝土的线膨胀系数r,i,SSs(i),IIZZS(i),llyyS(i),BBS(i)/2,HHS(i)/2,IIZZS(i)+llyyS(i)rmore,SSs(i+1),IIZZS(i+1),llyyS(i+1),BBS(i+1)/2,HHS(i+1)/2,IIZZS(i+1)+llyyS(i+1) rmore,0,0,0,0,0,0rmore,0,0,BBS(i)/2,HHS(i)/2,BBS(i+1)/2,HHS(i+1)/2lsel,u,real,,1,kp_ numonelstr,i,i+1latt,i,i,ilesize,all,,,1,,1lmesh,all,allallsel,all*enddocm,uptower,elem*get,emin_ts,elem,O, num ,min*get,emax_ts,elem,O, num ,maxallselkp_ts=emax_ts-emin_ts+1 !提取出来桥塔上部的关键点数目/com,createt the kps of tower dow n*set,zfirst,1.25 !三个控制点的横桥向坐标*set,zseco nd,7.4839*set,kp_ nu mtwo,kp_ts+2 !定义桥塔下部的第一个关键点*set,diff1_elem,67 !桥塔下部的单元数目*set,kp_ numthree,kp_ nu mtwo+diff1_elem !桥塔下部的最后一个关键点k,kp_numtwo,-y2/ta n(alfa2*pi/180),y2，-zfirstk,kp_ nu mthree,,,-zsec ond†dim,BBX,,200*dim,HHX,,200*dim,SSX,,200*dim,IIYYX,,200kfill,kp_ nu mtwo,kp_ nu mthree*dim,IIZZX,,200*set,HHXQ,0.8§si n(alfa2*pi/180) !定义砍掉部分的长度*set,BBXQ,0.4*si n(alfa3*pi/180)*set,SSXQ,HHXQ*BBXQ*dim,IIYYXQ,,200*dim,IIZZXQ,,200!*set,w4,2.6875*2 !在桥塔折角处单元的宽度!*set,w5,4.3682*2 !在坐标原点处单元的宽度*set,w4,4.5361558*set,w5,8.1609208*do,i,1,diff1_elem+1BBX(i+kp_ numo ne)=2.5*si n(alfa3*3.1415926/180)HHX(i+kp_ nu mo ne)=w4+(i-1)*(w5-w4)/67SSX(i+kp_ numon e)=BBX(i+kp_ nu mo ne)*HHX(i+kp_ numon e)-SSXQ*2IIYYXQ(i+kp_ num on e)=HHXQ*BBXQ**3/12+SSXQ*BBX(i+kp_numo ne)**2/4 IIZZXQ(i+kp_ numon e)=BBXQ*HHXQ**3/12+SSXQ*HHX(i+kp_numo ne)**2/4IIYYX(i+kp_ numon e)=HHX(i+kp_ numo ne)*BBX(i+kp_ nu mo ne)**3/12-IIYYXQ(i+kp_ numo ne)*2IIZZX(i+kp_ num on e)=BBX(i+kp_ nu mo ne)*HHX(i+kp_ numon e)**3/12-IIZZXQ(i+kp_ numo ne)*2§do,i,KP _numon e,kp _numon e+d i ff1_elem-1et,i,beam44keyopt,i,9,0mp,ex,i,3.5e10mp,prxy,i,0.167mp,de ns,i,2600mp,alpx,i,1e-05 !定义混凝土的线膨胀系数r,i,SSX(i+1),IIZZX(i+1),IIYYX(i+1),BBX(i+1)/2,HHX(i+1)/2,IIZZX(i+1)+IIYYX(i+1) rmore,SSX(i+2),IIZZX(i+2),IIYYX(i+2),BBX(i+2)/2,HHX(i+2)/2,IIZZX(i+2)+IIYYX(i+2) rmore,0,0,0,0,0,0rmore,0,0,BBX(i+1)/2,HHX(i+1)/2,BBX(i+2)/2,HHX(i+2)/2*enddo*do,i,kp_ nu mtwo,kp_ nu mthree-1lsel,u,real,,1,150lstr,i,i+1latt,i-1,i-1,i-1lesize,all,,,1,,1lmesh,allallsel,all*enddo*enddoesel,u,real,,1,kp_ nu mtwo-2cm,dow ntower,elemallsel,allcmsel,s,dow ntower*get,emin_tx,elem,0, num ,min*get,emax_tx,elem,0, num ,maxallselkp_tx=emax_tx-emin_tx+1esel,all,allcm,tower,elemlsel,s,real,,kp_ numon e,kp_ nu mthree-2lsymm,z,all,,,100allsel,all*set,kp_ numfour,kp_ numon e+2††kp_tx+100+1 !主梁的第一个关键点号!esel,s,e name,,beam44!tunif,0!tref,-30!allsel,all/com,couple the tower upside and tower dow ncerig, node(kx(38),ky(38),kz(38)), node(kx(39),ky(39),kz(39)),all,cerig, node(kx(38),ky(38),kz(38)), node(kx(139),ky(139),kz(139)),all,††set,beam_height,1.2725-0.3 !主梁节点即锚固点到原点的距离!*set,kp_ numfour,kp_ nu mo ne+2*(kp_tx+1)+100+1 !主梁的第一个关键点号*set,kp_ numfour_i nc,210 !主梁的关键点数目-1*set,kp_ nu mfive,kp_ num four+kp_ numfour_inck,kp_ num four,,beam_heightk,kp_ nu mfive,105,beam_heightkfill,kp_ num four,kp_ nu mfive*do,i,1,kp_ numfour_inclstr,kp_ num four+i-1,kp_ num four+i*enddo*set,e nu m_beam,emax_tx+1et,e nu m_beam,beam188mp,ex,e nu m_beam,3.5e10mp,prxy,e num _beam,0.0.167mp,de ns,e num_beam,3038.8 !考虑到二期恒载后的换算密度mp,alpx,e num_beam,1e-05 !定义混凝土的线膨胀系数KEYOPT,e num_beam,7,2keyopt,e nu m_beam,8,3keyopt,e nu m_beam,9,3SECTYPE,1,BEAM,MESH,sec1SECOFFSET,user,,-1.4O !截面读入时主梁的平移SECREAD,'main_beam','SECT',' ',MESHk,5000,,1000000lsel,u,real,,1,200latt,e nu m_beam,e nu m_beam,e nu m_beam,,5000,,1lesize,all,,,1,,1lmesh,allallsel,allesel,s,e name,,beam188cm,main_beam,elemallsel,all/com,create the cable eleme nt*set,e num _li nk,e num _beam+1 !拉索的开始单元号*dim,cable_area,,13 !定义拉索单元的面积数组*dim,cable_istrai n,,13 !定义拉索单元的初始应变数组*dim,cable_de ns,,13/com,defi ne the an gle of all cable*set,cable_area1,1.668E-03*set,cable_area2,1.668E-03*set,cable_area3,2.6410E-03*set,cable_area4,2.6410E-03*set,cable_area5,2.6410E-03*set,cable_area6,2.6410E-03*set,cable_area7,3.0580E-03*set,cable_area8,3.0580E-03*set,cable_area9,3.0580E-03*set,cable_area10,3.7530E-03*set,cable_area11,3.7530E-03*set,cable_area12,3.7530E-03*set,cable_area13,3.7530E-03*set,cable_area_back,2.0155E-02*set,cable_area(1),cable_area1*set,cable_area(2),cable_area2*set,cable_area(3),cable_area3*set,cable_area(4),cable_area4*set,cable_area(5),cable_area5*set,cable_area(6),cable_area6*set,cable_area(7),cable_area7*set,cable_area(8),cable_area8*set,cable_area(9),cable_area9*set,cable_area(10),cable_area10*set,cable_area(11),cable_area11*set,cable_area(12),cable_area12*set,cable_area(13),cable_area13*set,cable_de ns(1),13.2/cable_area1*set,cable_de ns(2),13.2/cable_area2*set,cable_de ns(3),20.9/cable_area3*set,cable_de ns(4),20.9/cable_area4*set,cable_de ns(5),20.9/cable_area5*set,cable_de ns(6),20.9/cable_area6*set,cable_de ns(7),24.2/cable_area7*set,cable_de ns(8),24.2/cable_area8*set,cable_de ns(9),24.2/cable_area9*set,cable_de ns(10),29.7/cable_area10*set,cable_de ns(11),29.7/cable_area11*set,cable_de ns(12),29.7/cable_area12*set,cable_de ns(13),29.7/cable_area13*set,cable_de ns_back,159.5/cable_area_back*set,cable_istrai n1,0.26032E-02*set,cable_istrai n2,0.25568E-02*set,cable_istrai n3,0.23210E-02*set,cable_istrai n4,0.23456E-02*set,cable_istrai n5,0.23892E-02*set,cable_istrai n6,0.24412E-02*set,cable_istrai n7,0.28199E-02*set,cable_istrai n8,0.28719E-02*set,cable_istrai n9,0.29143E-02*set,cable_istrai n10,0.28321E-02*set,cable_istrai n11,0.28559E-02*set,cable_istrai n12,0.28743E-02*set,cable_istrai n13,0.28926E-02cable_back_istrai n1=0.32891E-02cable_back_istrai n2=0.33661E-02*set,cable_istra in (1),cable_istra ini*set,cable_istra in( 2),cable_istra in2*set,cable_istra in( 3),cable_istra in3*set,cable_istra in( 4),cable_istra in4*set,cable_istra in( 5),cable_istra in5*set,cable_istra in( 6),cable_istra in6*set,cable_istra in( 7),cable_istra in7*set,cable_istra in( 8),cable_istra in8*set,cable_istra in( 9),cable_istra in9*set,cable_istrai n(10),cable_istrai n10*set,cable_istrai n(11),cable_istrai n11*set,cable_istrai n(12),cable_istrai n12*set,cable_istrai n(13),cable_istrai n13/com,create the kps of croSSbeams*set,w5,5.35 !横梁到主梁中心的距离*do,i,1,13k,kp_numfour+i*14+400+12,i*7+6,beam_height,-w5k,kp_numfour+i*14+800+12,i*7+6,beam_height,w5*enddo!定义拉索单元*do,i,1,13et,e num_lin k+i-1,li nk10mp,ex,e num」in k+i-1,2.0e11mp,prxy,e num」in k+i-1,0.3mp,de ns,e nu m_li nk+i-1,cable_de ns(i)!mp,alpx,enum_link+i-1,1.5e-05 !定义索(钢材)的线膨胀系数lsel,u,real,,1,1000r,i+e num」in k-1,cable_area(i),cable」strai n(i)lstr,30-2*(i-1),kp_ numfour+i*14+400+12lstr,30-2*(i-1),kp_ numfour+i*14+800+12latt,e nu m_li nk+i-1,e nu m_li nk+i-1,e nu m_li nk+i-1 lesize,all,,,1,,1 lmesh,alllsel,all*enddo/com,create the back cables*set,e nu m_back_cable,e nu m_li nk+13et,e num _back_cable,li nk10mp,ex,e nu m_back_cable,2.0e11mp,prxy,e nu m_back_cable,0.3mp,de ns,e nu m_back_cable,cable_de ns_backr,enu m_back_cable,cable_area_back,cable_back_istra inilsel,u,real,,1,e nu m_back_cable-1k,3001,-45,k,3002,-45+2.956lstr,3001,10latt,e nu m_back_cable,e nu m_back_cable,e nu m_back_cablelesize,all,,,1,,1lmesh,allallsel,allet,e nu m_back_cable+1,li nk10mp,ex,e nu m_back_cable+1,2.0e11mp,prxy,e nu m_back_cable+1,0.3mp,de ns,e nu m_back_cable+1,cable_de ns_backr,enu m_back_cable+1,cable_area_back,cable_back_istra in2 lsel,u,real,,1,200lstr,3002,18latt,e nu m_back_cable+1,e nu m_back_cable+1,e nu m_back_cable+1 lesize,all,,,1,,1 lmesh,allallsel,allesel,s,e name,,li nk10cm,cable,elemalls/com,create the croSSbeams*set,e nu m_croSSbeam,e num_back_cable+2 !横梁的单元号et,e nu m_croSSbeam,beam4mp,ex,e nu m_croSSbeam,3.5e20mp,prxy,e nu m_croSSbeam,0.167mp,de ns,e nu m_croSSbeam,2500r,enu m_croSSbeam,0.5,0.5**3/12,0.5/12,0.5,1, lsel,u,real,,1,150*do,i,1,13lstr,kp_numfour+i*14+400+12,kp_ numfour+i*14+12lstr,kp_numfour+i*14+12,kp_ numfour+14*i+800+12 lesize,all,,,3,,1latt,e nu m_croSSbeam,e nu m_croSSbeam,e nu m_croSSbeam, lmesh,all*enddoallsel,alldk,kp_ nu mthree,all,dk,kp_ nu mthree+100,all,dk,kp_ num four,all,dk,3001,all,dk,3002,all,dk,kp_ nu mfive,uy,/soluan type,0acel,,10allssolvefinisav*do,i,1,38*set,yy(i),y1-ky(i)*set,hhs(i),diff1」en gth*yy(i)/(y1-y2)+le ngth1 *set,bbs(i),diff1_width*yy(i)/(y1-y2)+width1SSS(i)=BBS(i)*HHS(i) !按照实心截面IIZZS(i)=BBS(i)*HHS(i)**3/12。
文章编号：!"#!$%&#’（%((%）()$(("*$(*!"#$#在斜拉桥施工计算中的应用胡建周!，崔颖超%（!+东莞市公路管理局，广东东莞&%*(((；%+河南省高速公路管理局）摘要：采用,-./.软件，确定了抚顺永安桥施工过程中拉索和横梁预应力的张拉顺序和张拉延伸量，并对其施工过程进行了仿真计算，得出了合理的施工步骤，并对原设计预应力的布设提出了修改意见。
关键词：,-./.；斜拉桥；施工控制计算!在斜拉桥的施工过程中，通常采用平面杆系有限元程序来计算施工过程中的结构的受力。
但平面杆系有限元装配程序有如下不足：一是无法模拟横梁预应力筋张拉对结构的内力的影响；二是很难模拟接触非线性问题；三是不能准确考虑横截面应力的不均匀分布问题。
如果利用,-./.的单元生死功能和编制程序的功能，则可以很好地模拟这种受力复杂的施工过程。
单元的生死相当该单元的施工与否，而编程功能则可以使得多种工况的参数输入变得简单（只须修改相关语句）。
%工程背景抚顺永安桥为三塔单索面低塔斜拉桥，跨度为"*0!!%0!!%0"*1，主梁为单箱双室箱形截面，横截面宽*21，梁高%+)1，为了锚固斜拉索的需要，中腹板很强大，厚度达%+&1，每根斜拉索锚固处加一预应力横隔梁。
同时，桥下没有通航要求，且河床很浅，故采用支架现浇施工方法。
详细的斜拉桥立面、主梁截面如图!所示。
"*收稿日期：%((%$("$%(作者简介：胡建周，男，硕士+变，从而导致相应的初张力变小。
引起的结构变形愈大，初张力变小量愈大，故这种方法几乎无法使用。
但如果我们仔细研究一下!"#$%&单元的初应变的定义及死活单元的有关规定（图’），便可以很好地解决前面提出的两个问题。
!"(!)!&其中：!&为零应变位置；!为节点间长度。
当单元被激活时，它的刚度、质量和单元荷载返回原始值，但没有应变历史的记录，然而，以实常数形式定义的初应变则不受单元死活选项的影响。
文章编号:1671-2579(2002)04-0063-03
ANSYS 在斜拉桥施工计算中的应用
胡建周1
,崔颖超
2
(1.东莞市公路管理局,广东东莞 523000;2.河南省高速公路管理局)
摘 要:采用ANSYS 软件,确定了抚顺永安桥施工过程中拉索和横梁预应力的张拉顺序和张拉延伸量,并对其施工过程进行了仿真计算,得出了合理的施工步骤,并对原设计预应力的布设提出了修改意见。
关键词:ANSYS;斜拉桥;施工控制计算 X
在斜拉桥的施工过程中,通常采用平面杆系有限元程序来计算施工过程中的结构的受力。
但平面杆系有限元装配程序有如下不足:一是无法模拟横梁预应力筋张拉对结构的内力的影响;二是很难模拟接触非线性问题;三是不能准确考虑横截面应力的不均匀分布问题。
如果利用ANSYS 的单元生死功能和编制程序的功能,则可以很好地模拟这种受力复杂的施工过程。
单元的生死相当该单元的施工与否,而编程功能则可以使得多种工况的参数输入变得简单(只须修改相关语句)。
1 工程背景
抚顺永安桥为三塔单索面低塔斜拉桥,跨度为63+112+112+63m,主梁为单箱双室箱形截面,横截面宽38m,梁高2.4m,为了锚固斜拉索的需要,中腹板很强大,厚度达2.5m,每根斜拉索锚固处加一预应力横隔梁。
同时,桥下没有通航要求,且河床很浅,故采用支架现浇施工方法。
详细的斜拉桥立面、主梁截面如图1
所示。
图1 抚顺永安桥构造示意(单位:cm)
显然,抚顺永安桥采用单索面,且桥面很宽,横梁预应力强大,决定了横梁预应力的张拉对斜拉索及主梁的受力影响明显,又因是支架现浇施工,接触非线性问题突出,故该桥在施工过程中的受力是很复杂的,为此利用ANSYS 进行施工过程模拟计算,使其与实际施工过程尽可能保持一致。
2 ANSYS 中死活单元方法的应用
结构中添加或删除单元时,在模型中某些单元可
能变得存在或不存在,这时在ANSYS 里是用单元的死活来模拟这种性质的。
单元的死活特性在施工装配计算中是非常有用的。
虽然我们可以用单元的死活特性来模拟施工过程,但对于斜拉桥的施工模拟会遇到一些困难:首先是如何上初始张拉力,其次是F 如何上调索时索力增量$。
如果利用ANSYS 中的LINK10单元则可以用加初应变的方法来给出初始张拉力,即给定与初始张拉力等效的初应变,然后直接激活该单元,显然,因为该初张力会引起结构的变形,从而影响所激活单元的应
第22卷 第4期
2002年8月
中 外 公 路
63
收稿日期:2002-06-20作者简介:胡建周,男,硕士.
变,从而导致相应的初张力变小。
引起的结构变形愈大,初张力变小量愈大,故这种方法几乎无法使用。
但如果我们仔细研究一下LINK10单元的初应变的定义及死活单元的有关规定(图2),便可以很好地解决前
面提出的两个问题。
图2 初应变定义参数示意图
LINK10的初应变为:
E 0=
D L
D =L -L 0其中:L 0为零应变位置;L 为节点间长度。
当单元被激活时,它的刚度、质量和单元荷载返回
原始值,但没有应变历史的记录,然而,以实常数形式定义的初应变则不受单元死活选项的影响。
当大变形效应开关打开时(NLGEOM,ON),为了与当前的节点位置相匹配,单元的形状被改变。
这样,可利用
LINK10单元的初应变选项和死活单元的特性来实现索力的初始张拉力和索力的调整。
具体过程如图3。
图3 拉索施加初应力F 步骤示意
3 全桥整体模型的简化及单元的选取
不失一般性,取中塔为研究对象。
因为在施工时,斜拉索是按对称张拉原则进行的,故可取中塔作为计算模型。
又因恒载是对称作用,主梁是以中腹板为对称轴的对称结构,于是,模型又可简化为中塔结构模型(图4)。
其中塔柱用空间梁单元bem4,斜拉索和模板支架用LINK10单元,箱梁顶、底板用shel l63单元,横梁、中腹板、边腹板用solid45单元。
除LINK10单元外,其他单元在一般的有限元很常见。
LINK10单元是空间三维杆单元,每个节点有三个自由度X 、Y 、Z 。
没有弯曲刚度,但有应力刚化和大变形能力。
可通过输入参数项里的option 选项控制杆单元只受拉或只受压,很适合模拟索单元(只受拉)或模板支撑(只受压)。
由于永安桥的施工方法的特点,接触非线性问题
显得非常突出。
接触非线性问题有两个难点:其一,在
图4 1/4中塔结构模型
求解之前,不知道接触区域,表面之间是接触或分开是不知道的,这随荷载、材料、边界条件或其他因素而
定;其二,大多的接触问题须计算摩擦,它是非线性的,摩擦使问题的收敛性变得困难。
虽然在ANSYS 应用软件里有一些专门的接触单元(如CONTAC12、CON 2TAC52D 单元)来模拟这种非线性行为,但因接触问题是一种高度非线性,需要较大的计算机资源。
为了更
64 中 外 公 路 22卷
有效地计算,详细研究问题的特性和建立合理的模型,用切实可行的计算模式来代替接触非线性问题是常用的解决问题的思路。
为此利用ANSYS里的特殊单元%%LINK10,它具有只受拉(或只受压)的特性。
只要把梁底板网格划分得足够小,每一节点处连接一杆单元(LINK10),开始时梁体由许多这样的单元支撑,全部杆单元受压。
这样,接触非线性问题就变成LINK10杆单元受拉或受压的问题。
经过这样处理之后,计算模型清晰明确,计算精度足以满足工程要求。
如果LINK10杆的数量配合具体的模板支撑数量(如万能钢脚手架的数量),则可以算出每根支撑的受力,从而指导支撑及支撑基础的设计。
4人工控制网格的剖分
在对实体模型进行网格剖分时坚持以下原则:
1)在满足精度要求的前提下单元数目尽量少,以提高计算速度,减少机时。
2)尽量使相邻节点间距符合模板支撑的间距,以便较真实地模拟模板的作用。
3)在关心应力处采用较密网格,提高计算精度。
为了实现这些目的,在建模时把整体模型分为多个小模型,便于网格剖分时用人工控制网格疏密。
具体划分时,采用分段分块划分,网格间距1m左右,在腹板和横梁顶、底处加密为0.4m左右。
5参数的输入
塔柱、主梁、拉索按实际的材料特性和截面特性输入即可。
而模板支撑的参数输入则是假定所用的模板支撑为钢脚手架,相当于<60@3的钢管。
而每种工况的参数输入可利用ANSYS本身具有的编程功能,把各种工况的输入信息编成ANSYS环境下可执行的文件,每一工况的改变只是在文件中修改某些参数即可,既快捷又不易出错。
6加载步骤的设计和数据处理
在设计加载步骤之前,为了减少计算机时,提高效率,据实际的工程经验和力学知识,初步拟出预应力和斜拉索的施工原则与施工计算步骤:
1)柱两侧对应的斜拉索同时张拉,确保塔柱只可能出现很小的水平位移。
2)先张拉所有横梁的第一根预应力筋(<15-27)。
3)张拉斜拉索时,均匀间隔张拉。
4)在进行施工计算时,假定1#、4#、7#同时张拉,2#、5#同时张拉,3#、6#同时张拉。
5)每根索力分三次张拉到目标索力。
具体计算时,是利用平面杆系装配计算程序倒拆出合龙前的索力,即为目标索力。
然后运用ANSYS 对抚顺永安大桥的施工过程进行多次试算,每一工况都输出横隔梁、腹板上、下缘处的应力(通过编写相关的程序对应力输出结果进行处理,生成了以图形输出的形式,形象表示某处的应力),得出在满足现行预应力混凝土规范的条件下,斜拉索张拉到目标索力的施工步骤。
7结论
1)永安大桥主梁截面采用单箱双室箱形截面,截面横向很宽,而梁高又很低(图1),剪力滞效应非常明显。
在用ANSYS对该桥进行施工过程受力分析计算时发现,在塔根处中腹板和边腹板下缘处的剪力滞系数分别为1.72、1.38,而顶板处出现负剪力滞问题。
从中腹板与边腹板的剪力滞系数的比值(1.72/1.38= 1.25)可看出横截面上的应力分布是很不均匀的,而且离塔柱越远,应力分布就越不均匀。
因此,在对主梁配置纵向预应力筋时应适当在边肋附近配置较多的预应力筋。
而对于用杆系程序对该桥进行计算时,这种应力不均匀的现象应引起足够的重视。
2)对于受力复杂的桥梁,利用成熟的应用软件(如ANSYS),建立空间实体模型,对结构受力进行详细的分析研究不但是必要的,而且也是可行的。
由于对空间模型进行了简化,全桥的计算模型只有7000多个单元,每一种工况的计算花费机时15min左右,在施工计算过程中是可以接受的。
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4期ANSYS在斜拉桥施工计算中的应用。
