大跨度悬索管道桥的ANSYS有限元分析综述

大跨度悬索管道桥的ANS Y S有限元分析综述Ξ李　冰1,　黄丽华1,　雷　刚2(1.大连理工大学建设工程学部,辽宁大连116024;2.中油辽河工程有限公司,辽宁盘锦124010)摘要:综述了管道跨越结构的种类,针对悬索式管道跨越结构,介绍了其受力特点以及其计算分析理论的发展,同时介绍了如何利用大型通用软件AN SYS对大跨度悬索管道桥进行有限元建模,提出了建模的相关步骤以及一些注意事项。

最后介绍了利用AN SYS对悬索管道桥进行有限元分析的方法和步骤,指出在进行风荷载作用下的相关计算时如何利用AN SYS的二次开发来完成计算分析。

关键词:管道跨越;悬索管道桥;AN SYS;分析方法中图分类号:U448.25 文献标识码:A 文章编号:167222132(2010)增刊202622040　引言随着经济的发展,石油已日渐成为国民经济建设的命脉,而在一些地质条件比较复杂地区,如沼泽、河流、深沟、峡谷等,管道跨越结构是常用的选择。

管道跨越结构从20世纪60年代开始逐渐发展起来,跨度从数十米的小型河流发展到千余米宽的江河。

戴家齐[1]按管道跨越结构的受力情况,将其分为两大类:一类是管道在跨越结构中为受力构件,称为跨越管段;另一类是管道不作为跨越中的受力构件,只是敷设于桥面,称之为管桥。

文献[2]把管道跨越结构型式分为11种,每种都有其独特的优势,管道跨越结构的类型及其相应的特点和适用条件如表1所示。

本文提供的管道跨越型式为悬索式管道跨越,从结构承载形式上来看,该结构可以类比为活荷载较小的悬索桥。

悬索跨越结构一般由塔架、管道、主梁、主索、吊索和风索组成。

主索是悬索管道桥的主要承重构件,是全桥结构受力的生命线,结构承受的载荷主要通过主梁的弯曲变形传递到中跨主缆,再传递到边缆和塔架上,最终作用到锚碇和基础上。

塔架主要是对主索起支承作用,同时在风和地震荷载作用下,对全桥结构的总体稳定性提供安全保证。

锚碇则用于锚固主索,平衡主索所受到的拉力,将其传达至地基。

由于面内竖向刚度大于面外横向刚度,悬索式跨越结构适于承担以竖向恒载为主的载荷。

大型跨越结构的跨度较长,沿顺桥向的长细比很大,因此结构的柔性很大;同时,其整体阻尼往往很低,容表1　管道跨越结构的类型及其特点和适用条件编号结构类型特点及适用条件1梁式管道跨越适用于中小型河流2Π形刚架管道跨越适用于小型河流,型式比较简单,不需要支架,施工简单方便3单管拱跨越有利于增加管道的跨度,侧向稳定性不够4组合管拱跨越相对单管拱跨越来说,跨越能力更强,可达100m以上5轻型托架管道跨越用托架加强的梁式管道跨越6桁架式管道跨越结构刚度大,有良好的稳定性,还可在桁架内部设置人行道,便于检修7悬垂式管道跨越结构简单,用料节省,跨径比较大时,比较经济合理8悬缆式管道跨越通过主索的高强度来提高跨越能力,增强管桥轴向刚度,改善抗风稳定性9悬索式管道跨越适用于跨越大型河流、山谷等,受力明确,构造简单,施工成熟10斜拉索管道跨越结构简单,抗风稳定性很好11斜拉悬索组合跨越结合了悬索式和斜拉索式的优点,既能实现大跨度,又能保证抗风稳定性易因地震或阵风作用而发生剧烈的振动,影响结构的安全性[325]。

悬索管道结构的计算分析,是源于对悬索桥梁第30卷增刊2010年9月防灾减灾工程学报Jou rnal of D isaster P reven ti on and M itigati on EngineeringV o l.30Supp l.Sep.2010Ξ收稿日期:2010205226;修回日期:2010206215作者简介:李　冰(19872)男,硕士研究生。

研究方向为结构工程。

Em ail:foo tballp rince@结构的研究,虽然与普通的悬索桥相比,其竖向荷载较小,桥宽与跨度比小及结构的整体刚度小,但是仍然可以借鉴普通悬索桥的相关计算理论和相应的公式进行研究分析。

悬索桥结构的分析计算理论的发展经历了从连续化到离散化的变化。

连续化的理论包括弹性理论和挠度理论。

弹性理论没有考虑结构体系变形对内力的影响,而实际上结构的变形对内力是有影响的,因而弹性理论太过保守,偏于安全,浪费材料。

挠度理论相对于弹性理论来说更趋近于实际,这种理论巧妙地采用了悬索桥可挠性的分析方法,是近代悬索桥中广为应用的理论,但是对于跨度比较大的结构来说误差较大,因而它只能适用于跨度小于500m的悬索桥。

随着计算机技术的发展,非常适合于电算的有限位移理论也日趋成熟,该理论较全面地考虑了大位移引起的悬索桥几何非线性的因素,计算结果比挠度理论更精确,其影响因素包含以下3个部分:(1)荷载作用下结构的大位移;(2)主索自重垂度的影响;(3)恒载初始内力对主索刚度的影响等[6]。

1　悬索管道桥的ANS Y S建模对于结构分析来说,其力学建模是整个分析的关键。

模型建立的正确与否决定着分析结果是否合理。

对于大型的复杂结构来说,合理的有限元模型能准确地反映结构的本质与特征。

有限元模型的建立应着重于结构刚度、质量和边界条件的模拟,这三个因素直接与结构的特性相关,它们应尽量地和实际结构相符。

悬索管道桥由于其柔度大,任何一个外界条件的改变就有可能导致其形状和刚度发生较大的改变(文献[6])。

因此在进行力学建模时,必须要对结构进行合理的简化,既要保证结构受力的合理性,又要保证模型的简单明了。

越来越多的商用有限元分析软件被用来进行悬索管道桥的建模和分析,其中SA P2000为桥梁结构分析设计了一个专门的模块,该模块把桥梁分析中的主要过程融为一体,方便了模型的建立。

AN SYS 软件是一款大型的通用有限元分析软件,它在悬索桥特别是管道桥的建模和分析中得到了广泛的运用:陈同彦等[7]在2004年就利用AN SYS对悬索管道桥进行了模拟计算,同时也提到了在建模过程应如何做简化;詹胜文等[8]提出了在用AN SYS进行建模时应注意的问题,包括单元选择、约束简化、荷载简化等;署恒木等[9]和王金国等[10]也分别运用AN SYS对悬索管道桥进行了静动态的有限元分析。

111　单元的选取由于AN SYS包含许多不同的单元类型,每种不同的单元类型都有其独自的特点,因此在进行建模之前必须要根据结构的类型选取合适的单元类型来模拟。

对主索、吊索、风索以及水平索系的模拟通常采用link10单元,link10单元其固有的双线性刚阵特性使其成为一个轴向仅受拉或受压的杆单元,很适合用来模拟索的静力分析。

由于塔架和主梁均为空间桁架,其截面类型比较多,因此一般情况下采用可以随意定义截面类型和尺寸的beam188单元来模拟。

112　建模过程由于结构为对称的,为了方便建模,可只建立一半模型,然后沿对称面对称到另一半得到整个模型。

为了方便以后选取不同的构件类型,不同的构件应选用不同的材料编号。

对于吊索和水平索系,每根索可以设置为一个单元,这样可以方便以后的计算。

主索和风索应该分别按照吊索和水平索的间隔来划分单元。

由于主梁和塔架都是空间桁架,其单元应该由两个自然节点形成,通过设置不同的截面类型来模拟不同位置的构件截面。

根据管桥的实际固定方式,对有限元模型施加约束:主梁的两侧为简支约束,塔架底部为固结,主索与塔架的连接处耦合6个自由度,风索的两端采用铰接,斜拉索的一段采用固结。

2　计算分析方法211　恒载作用下的计算分析 悬索式跨越结构为非线性大位移的缆索结构体系,因此需要考虑单元形状和取向改变导致的刚度改变,需要通过迭代来求得正确的位移,在进行分析时,需要打开大变形效应,即在AN SYS的求解模块下设置大变形的开关NL GEOM,ON。

为了减小结构中面内应力状态对结构面外刚度的影响,还需要在计算时打开应力刚化效应,即应设置SST IF,ON。

通过AN SYS后处理过程可以查看各个构件的位移以及受力情况。

362　增刊李　冰等:大跨度悬索管道桥的AN SYS有限元分析综述　212　动力特性分析悬索跨越结构的大跨度、大柔度决定了其动力特性更能直接关系其安全性能。

目前,悬索管道桥的动力特性分析还主要局限于模态分析以及风索预拉力和水平索角度对结构动力特性的影响等(文献[9, 10])[11213]。

模态分析是动力特性分析的核心,也是进行瞬态动力分析、谐响应分析以及谱分析的基础。

在利用AN SYS对结构进行模态分析时,分析过程是个线性过程,任何非线性的特性都将被忽略。

只需进入模态分析模块,选择7种模态提取方法中的一种,然后选择所需要提取的阶数即可完成模态分析。

祝志文等(文献[12])利用AN SYS分析了结构参数对管道桥动力特性的影响,认为提高风览预张力和选取适当的风缆与水平面的夹角能有效地提高全桥的结构刚度。

利用AN SYS进行动力特性分析可以得到悬索管道桥的各阶频率以及其各阶模态振型,通过对各阶振型的观察可以更直观的得到悬索管道桥各个方向的基频,便于以后的动力分析。

213　风荷载作用下的计算风对桥梁造成的病害是多方面的,桥面振动有可能会导致交通的中断或者使行人丧失安全感,导致桥梁构件的过早疲劳破坏,严重的还会造成桥毁人亡的惨剧。

因此,桥梁在风荷载下的计算分析显得尤为重要。

作用于桥梁上的风荷载是由平均风和脉动风共同作用的,风对桥梁的作用概括起来可以分为两种:平均风作用下的静力荷载和脉动风作用的动力荷载。

21311　静风荷载作用下的计算静风荷载作用下的计算方法可以依据文献[14]给出的公式:F H=12ΘV2g C H A n(1)式中　F H为作用在各构件单位长度上的静阵风荷载(N m);　V g为静阵风风速(m s);　Θ为空气密度,取为1125kg m3;　C H为各构件的阻力系数;　A n为桥梁各构件顺风向投影面积(m2),对主梁来说A n=H为其投影高度;对索取为其直径乘以其投影高度。

把作用于结构上的静风荷载转化为作用于各个节点上的静风荷载,从而来进行静风荷载作用下的计算分析。

同时还需要依据规范来进行静力抗风稳定性的验算。

由于风荷载是随着高度而变化的,对于大跨度桥梁来说,其结构比较复杂,在AN SYS中施加作用于节点的风荷载比较麻烦,需要运用外部的编程软件如V isual B asic等来得到施加到AN SYS 中的节点风荷载。

21312　动风荷载作用下的计算动风荷载作用引起管道桥的自激振动和随机强迫振动。

自激振动主要包括桥梁的颤振和驰振,华旭刚等[15217]已经研究出了在AN SYS中实现桥梁颤振分析的方法,方便了桥梁设计人员和研究人员对大跨度桥梁的颤振分析,对于利用AN SYS来对悬索管道桥进行颤振分析可以借鉴这种方法。

随机性强迫振动是风荷载中的脉动成分引起的风致振动,体现在桥梁结构上主要是抖振反应。

文献[9]中给出了一个近似的计算管道桥风振分析的方法,根据最大风压值并比较等效的静风荷载,利用AN SYS的谐响应分析来进行计算,得到了代表性关键点上的加速度、应力随时间变化的曲线,但是该方法并未精确地考虑动风荷载的随机性。