基于ANSYS的斜拉桥施工过程模拟分析

2022-08-10 来源：欧得旅游网

第30卷　第3期2006年6月

武汉理工大学学报(交通科学与工程版)

JournalofWuhanUniversityofTechnology

(TransportationScience&Engineering)

Vol.30　No.3June2006

基于ANSYS的斜拉桥施工过程模拟分析

廖小雄1,2)　黄　艳3)　郭　奔4)　杨吉新1)

(武汉理工大学交通学院1)　武汉　430063)(深圳市电子院设计有限公司2)　深圳　518031)(湖北省宜昌市交通规划勘察设计研究院3)　宜昌　443000)(湖北楚维工程咨询监理有限责任公司4)　荆门　448000)摘要:施工控制在大跨径斜拉桥施工过程中的地位日益重要,而桥梁的施工模拟计算对整个施工控制的成败与效率起着关键性作用.文中结合云阳长江公路大桥的施工监控实践,利用ANSYS的二次开发工具APDL语言,同时引入生死单元功能,编制了相应的ANSYS命令流程序,成功地实现了该斜拉桥的施工过程模拟分析.

关键词:斜拉桥;几何非线性;ANSYS;施工模拟中图法分类号:U448.27

　　云阳长江公路大桥为双塔双索面PC斜拉桥,跨径组合为132.0m+318.0m+187.0m.主梁为钢筋砼双纵肋主梁,横截面宽20.5m,梁高2.42m,采用后支点挂篮悬臂施工[1].

的施工模拟分析更加程序化、简单化.

在结构模型中,如果添加或删除单元,则模型中相应的单元就可能变得存在或消亡.单元生死功能用于在这种情况下杀死或重新激活选择的单元.

该桥的施工模拟计算,采用正装计算法,即首先建立该桥梁结构的有限元分析模型,然后按照该桥梁结构实际加载顺序来进行结构的受力和变形分析,得到各施工阶段的位移和内力状态,为施工控制提供依据[2].

2　斜拉桥非线性的主要影响因素

斜拉桥是一个由索、塔、梁三种基本构件组成的组合结构,属于高次超静定的柔性体系,应从大变形效应、垂度效应和弯矩轴向力组合效应三方面考虑其几何非线性问题[425].

1)结构大变形的影响　在荷载作用下,节点坐标随着荷载的增加发生着较大的变化,各个单元的长度、倾角也发生了改变.结构刚度矩阵是几何变形的函数.因此,平衡方程{F}=[K]{∆}不再是线性关系.在几何非线性有限元分析中,考虑大变形的影响,就是把平衡方程建立在变形后的几何位置上.

2)斜拉索垂度的影响　施工阶段斜拉索受到的拉力比成桥阶段小,由缆索垂度影响而引起

1　APDL语言和单元生死功能

ANSYS参数化设计语言APDL(ANSYSparametricdesignlanguage)是ANSYS的一个非

常强大二次开发工具,可以用于根据参数来建立模型[3].APDL包含许多特性,诸如参数、函数、条件语句、宏和用户程序等.使用这些特DO循环、性,用户可以创建一控制方案,使程序在特定的应用范围内发挥最大效率.斜拉桥施工分析的力学模型是一动态模型,APDL语言的应用使得我们可以更方便地控制所分析桥梁的模型,使得桥梁

　　　　收稿日期:20051112

　　　　廖小雄:男,26岁,硕士,主要研究领域为大跨度桥梁设计与结构非线性分析

　第3期

廖小雄,等:基于ANSYS的斜拉桥施工过程模拟分析・497・

的非线性较为明显.为考虑这一效应,计算中可根据各施工阶段的索力,将拉索单元的弹性模量用Ernst公式不断修正,得出更新的拉索单元刚度矩阵.拉索换算弹性模量是指拉索在工程结构中表现出的弹性模量,其表达式为Ernst公式,即

E0(Χ)2ScosΑ12Ρ3

式中:E为考虑垂度影响的拉索换算弹性模量,

kPa;E0为拉索弹性模量,kPa;Χ为拉索换算容

重,kN󰃗m;S为拉索长度,m;Α为拉索与水平线

);Ρ为拉索应力,kPa.的夹角,(°

3)轴力弯矩组合效应的影响　斜拉桥的斜拉索拉力使其他构件处于弯矩和轴向力组合作用下,这些构件即使在材料满足虎克定律的情况下也会呈现非线性特性.

命令流定义结点和单元时使结点和单元编号符合一定的规律,以便在以后做各个工况分析时可以更好地控制所分析的模型.这部分建模命令流程序在以后的每个单个工况分析时均会用到.

2)对各个节段施工的各个工况分别进行模拟分析　以N18节段施工的浇筑砼工况为例,在前一步建立的模型的基础上,首先定义约束和非线性分析选项.命令流如下.

󰃗SOLU　　　　　　　　!进入求解器

D,1,ALL,,NLGEOM,ONNROPT,FULL,,ONNSUBST,25SSTIF,ONAUTOTS,1LNSRCH,ON

!定义约束!打开大变形!定义NR选项!定义子步数!应力刚化!自动时间步控制!打开线性搜索

3　施工分析的力学建模与计算利用ANSYS的二次开发工具APDL语言,编制相应的命令流程序,建立平面杆系模型,对该

斜拉桥的施工过程进行一次正装计算,通过引入换算弹性模量、稳定性函数和几何刚度矩阵来计入各种非线性效应的影响.对该斜拉桥施工过程进行正装计算时,根据施工方案将各标准梁段施工分成挂篮就位、浇筑砼、张拉预应力钢筋、斜拉索张拉4个工况.结构计算简图见图1.

CNVTOL,F,,0.05,2,1!定义收敛条件NEQIT,75FINISH

!迭代次数限值!结束

下一步　定义荷载、生死单元与求解.在模型上施加新增加的荷载,即N18节段砼的自重均布荷载或等效挂篮支反力.被EKILL命令杀死的单元是指在结构本工况分析时不存在,即尚未出生的单元.定义生死单元及求解的命令流如下.

󰃗SOLU　　　　　　　　!进入求解器

EKILL,244

3DO,i,248,272

EKILL,i

3ENDDO3DO,i,214,231

D,i,ALL,,

!杀死不存在单元

3ENDDO

SAVESOLVE

!约束不活动结点!保存!求解!结束

图1　云阳长江公路大桥结构计算简图

FINISH

具体分析步骤如下.

1)建立该桥一半结构的有限元模型.首先定义单元类型、实常数和材料特性.斜拉索采用二维杆LINK单元模拟,主梁和刚臂采用二维梁BEAM单元模拟,分别用R命令定义共49种实常

3)后处理查看结果　对各个施工工况模拟

数和MP命令定义4种材料特性,用N命令定义所有的结点,用E命令定义所有的单元,并且把各单元类型、实常数和材料特性赋值给各个单元,对塔梁相互支承的两个结点进行UX,UY,ROTZ三个方向的位移耦合(模拟塔梁临时固结).在利用

计算完成之后,分别通过后处理导出计算结果,得到各个工况施工后相对于该工况施工前主梁的应力、挠度、索力以及塔顶偏移的变化量,然后在EXCEL里进行叠加,可以求出最大悬臂时(即J20索张拉后)各梁段的应力、变形、索力以及塔顶偏移的大小等.并将此计算结果与设计单位、监控单位VSES软件的计算结果进行对比分析.

4)建立整桥结构模型　根据实际受力情况,分别模拟边跨合龙、中跨合龙、放松临时固结、全

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桥调索、桥面铺装等施工工况,将计算结果与边跨合龙前的累计值进行叠加后就可以得到成桥时各梁段的应力、挠度、索力以及塔顶偏移的大小等.

表2　最大悬臂时主梁各节段上边缘应力值一览表MPa梁段

　上边缘应力值　　边跨　　　中跨

-10.28-10.41-11.29-11.46-10.88-11.09-11.49-11.74-10.76-11.02-11.04-11.33-11.11-11.41-10.97-11.28-10.65-10.96-10.13-10.43

梁段

N11N12N13N14N15N16N17N18N19N20

　上边缘应力值　　边跨　　　中跨-9.45-9.73-8.64-8.89-7.74-7.96-6.82-7.00-5.92-6.06-5.10-5.21-4.41-4.48-4.15-4.12-4.24-4.25-3.78-3.78

4　计算结果比较分析

以最大悬臂状态时的计算结果为例进行比较

分析.所建立的ANSYS施工分析模型考虑几何非线性效应的计算结果见表1～表3,该计算结果与监控单位VSES软件线性计算结果比较柱形图如图2～图4所示.　　从表1～表3、图2～图4可以看出:(1)斜拉索的索力随着索号的增加逐渐增大(个别索除外).(2)采用ANSYS非线性计算得到的索力计算值比VSES线性计算得到的索力值大,差值在1%～3%范围内.(3)主梁的上缘受压,最大压应力达到12.0MPa(<20.0MPa),主梁下缘少数梁段受拉,拉应力均小于2.0MPa.采用ANSYS计算得到的上下缘应力值与VSES计算结果差值在5%以内,且与设计结果相符.

表1　最大悬臂时计算索力值一览表

索号

C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10

N2N3N4N5N6N7N8N9N10

表3　最大悬臂时主梁各节段累计下边缘应力值一览表MPa梁段N1N2N3N4N5N6N7N8N9N10

　下边缘应力值　梁段

N11N12N13N14N15N16N17N18N19N20

下边缘应力值　

　计算索力值　边跨　　中跨40614045288128582285226224392411259125602572252927482704295029063028297932493198

索号

C11C12C13C14C15C16C17C18C19C20

　计算索力值　边跨　　中跨

34793427372136693999394943334286450544564896485452145177553755076006599064546454

边跨　　中跨-8.10-7.88-4.95-4.67-3.51-3.18-2.28-1.90-1.28-0.85-0.50-0.04　0.67　0.95　1.19　1.45　0.86　0.88-0.12　0.22边跨　　中跨-0.79-0.36-1.49-1.11-2.28-1.95-3.04-2.77-3.73-3.52-4.21-4.06-4.41-4.33-3.88-3.94-2.69-2.68-2.30-2.30

5　结　　论

利用ANSYS的二次开发工具APDL语言,同时引入生死单元功能,编制相应的ANSYS命令流程序,成功地实现了该斜拉桥的施工模拟分析.基于以上计算结果比较分析,可以得出以下结论:(1)在施工过程中,大跨径斜拉桥的几何非线性效应对其斜拉索索力、主梁应力等内力有一定

图2　最大悬臂时中跨各斜拉索计算索力值

图3　最大悬臂时边跨主梁上缘应力值

　第3期

廖小雄,等:基于ANSYS的斜拉桥施工过程模拟分析・499・

图4　最大悬臂时中跨主梁下缘应力值

影响,线性分析会产生一定的误差.(2)利用AN2SYS的二次开发工具APDL语言,引入生死单元功能,编制相应的ANSYS命令流程序,进行桥梁的施工模拟分析是切实可行的.(3)结合该斜拉桥的施工监控实践,通过分析研究认为,利用该ANSYS程序对该桥整个施工过程进行正装计算所得到的结果是合理有效的,利用此计算结果进行施工监控,能达到设计所要求的成桥状态.

参考文献

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SimulationandAnalysisofConstructionStateof

Cable2StayedBridgeBasedonANSYS

LiaoXiaoxiong　HuangYan　GuoBen　YangJixin

(SchoolofTransportation,WUT,Wuhan430063)1)

1,2)

(Shen{henElectronicsDesignInstituteCo.,Ltd.,Shenzhen518031)2)

(HighwayCommunicationPlanning,Surveyand

DesignInstituteofYichangCity,Yichang443000)

(HubeiChuweiEngineeringConsultingSupervisorCo.Ltd,Jingmen448000)4)

Abstract

Thepositionofconstructioncontrolinconstructionstateoflong2spancable2stayedBridgeisbe2comingmoreimportantincreasingly,thesimulationandanalysisinconstructionstateofbridgesplaya.Inthepaper,basingontheconstructioncontrollingofvitalroleinthewholeconstructioncontrol

YunyangChangjiangBridge,theauthorsmakeuseofthedevelopmenttoolAPDLlanguageinAN2SYS,Meanwhile,introducetheelementcapabilityofbirthanddeath,compilecorrespondingprograminANSYS,realizethesimulationandanalysisinconstructionstateofthecable2stayedbridge.Keywords:cable2stayedbridge;geometricalnonlinear;ANSYS;constructionsimulation

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